自從發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，二維材料一直是材料研究的重點(diǎn)。除其他外，它們還可用于構(gòu)建微型高性能晶體管。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)已為此目的模擬和評估了 100 種可能的材料，并發(fā)現(xiàn)了 13 種有前途的候選材料。

隨著電子元件越來越小型化，研究人員正在努力應(yīng)對不良副作用：對于由硅等傳統(tǒng)材料制成的納米級晶體管，量子效應(yīng)發(fā)生損害其功能的情況。例如，這些量子效應(yīng)之一是額外的泄漏電流，即“誤入歧途”而不通過設(shè)置在源極和漏極觸點(diǎn)之間的導(dǎo)體的電流。因此可以相信，摩爾的縮放定律，即每 12-18 個月，每單位面積的集成電路數(shù)量翻一番，由于與其有源元件的小型化相關(guān)的挑戰(zhàn)越來越大，因此在不久的將來將達(dá)到其極限。這最終意味著，由于量子效應(yīng)，目前制造的硅基晶體管(稱為 FinFET 并配備在幾乎每臺超級計(jì)算機(jī)上)不再能夠任意變小。

二維希望燈塔

然而，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)新研究表明，這個問題可以通過新的二維 (2-D) 材料來解決——或者至少這是他們對“Piz Daint”進(jìn)行的模擬超級計(jì)算機(jī)建議。

由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院集成系統(tǒng)研究所 (IIS) 的 Mathieu Luisier 和洛桑 EPF 的 Nicola Marzari 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用 Marzari 和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得的研究成果作為他們新模擬的基礎(chǔ)：早在 2018 年，在石墨烯的發(fā)現(xiàn)首次明確表示可以生產(chǎn)二維材料 14 年后，他們在“Piz Daint”上使用復(fù)雜的模擬篩選了超過 100,000 種材料;他們提取了 1,825 個有希望的成分，從中可以獲得二維材料層。

研究人員從這 1,800 多種材料中選擇了 100 種候選材料，每種材料均由單層原子組成，可能適合構(gòu)建超大規(guī)模場效應(yīng)晶體管 (FET)。他們現(xiàn)在已經(jīng)在“ab initio”顯微鏡下研究了它們的特性。換句話說，他們使用 CSCS 超級計(jì)算機(jī)“Piz Daint”首先使用密度泛函理論(DFT)確定了這些材料的原子結(jié)構(gòu)。然后，他們將這些計(jì)算與所謂的量子傳輸求解器相結(jié)合，以模擬電子和空穴電流流過虛擬生成的晶體管。使用的量子傳輸模擬器由 Luisier 與另一個 ETH 研究團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)，其底層方法獲得了 2019 年的戈登貝爾獎。

尋找最佳二維候選

晶體管生存能力的決定性因素是電流是否可以通過一個或多個柵極觸點(diǎn)進(jìn)行最佳控制。由于二維材料的超薄特性(通常比納米還薄)，單個柵極觸點(diǎn)可以調(diào)節(jié)電子流和空穴電流，從而完全打開和關(guān)閉晶體管。

“雖然所有二維材料都具有這種特性，但并非所有材料都適用于邏輯應(yīng)用，”Luisier 強(qiáng)調(diào)說，“只有那些在價帶和導(dǎo)帶之間具有足夠大的帶隙的材料才適用。” 具有合適帶隙的材料可以防止所謂的電子隧道效應(yīng)，從而防止由它們引起的漏電流。研究人員在模擬中尋找的正是這些材料。

他們的目標(biāo)是找到可以提供大于每微米 3 毫安的電流的二維材料，既可以作為 n 型晶體管(電子傳輸)，也可以作為 p 型晶體管(空穴傳輸)，并且其溝道長度可以一樣小為 5 納米，而不會影響開關(guān)行為。“只有滿足這些條件，基于二維材料的晶體管才能超越傳統(tǒng)的 Si FinFET，”Luisier 說。

球現(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)研究人員的球場上

考慮到這些方面，研究人員確定了 13 種可能的二維材料，可以用來構(gòu)建未來的晶體管，并且還可以使摩爾縮放定律得以延續(xù)。其中一些材料是已知的，例如黑磷或HfS 2，但 Luisier 強(qiáng)調(diào)其他材料是全新的——例如 Ag 2 N 6或 O 6 Sb 4的化合物。

“由于我們的模擬，我們已經(jīng)創(chuàng)建了最大的晶體管材料數(shù)據(jù)庫之一。有了這些結(jié)果，我們希望激勵實(shí)驗(yàn)者使用二維材料剝離新晶體并創(chuàng)建下一代邏輯開關(guān)，”ETH 教授說。由 Luisier 和 Marzari 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在國家研究能力中心 (NCCR) MARVEL 密切合作，現(xiàn)已在ACS Nano雜志上發(fā)表了他們最新的聯(lián)合成果。他們相信基于這些新材料的晶體管可以取代由硅或目前流行的過渡金屬二硫?qū)倩镏瞥傻木w管。

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