模拟显微镜检验未来的晶体管

自从发现石墨烯以来，二维材料一直是材料研究的重点。除其他外，它们还可用于构建微型高性能晶体管。苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院的研究人员现已为此目的模拟和评估了 100 种可能的材料，并发现了 13 种有前途的候选材料。

随着电子元件越来越小型化，研究人员正在努力应对不良副作用：对于由硅等传统材料制成的纳米级晶体管，量子效应发生损害其功能的情况。例如，这些量子效应之一是额外的泄漏电流，即“误入歧途”而不通过设置在源极和漏极触点之间的导体的电流。因此可以相信，摩尔的缩放定律，即每 12-18 个月，每单位面积的集成电路数量翻一番，由于与其有源元件的小型化相关的挑战越来越大，因此在不久的将来将达到其极限。这最终意味着，由于量子效应，目前制造的硅基晶体管(称为 FinFET 并配备在几乎每台超级计算机上)不再能够任意变小。

二维希望灯塔

然而，苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院的研究人员进行的一项新研究表明，这个问题可以通过新的二维 (2-D) 材料来解决——或者至少这是他们对“Piz Daint”进行的模拟超级计算机建议。

由苏黎世联邦理工学院集成系统研究所 (IIS) 的 Mathieu Luisier 和洛桑 EPF 的 Nicola Marzari 领导的研究小组使用 Marzari 和他的团队已经取得的研究成果作为他们新模拟的基础：早在 2018 年，在石墨烯的发现首次明确表示可以生产二维材料 14 年后，他们在“Piz Daint”上使用复杂的模拟筛选了超过 100,000 种材料;他们提取了 1,825 个有希望的成分，从中可以获得二维材料层。

研究人员从这 1,800 多种材料中选择了 100 种候选材料，每种材料均由单层原子组成，可能适合构建超大规模场效应晶体管 (FET)。他们现在已经在“ab initio”显微镜下研究了它们的特性。换句话说，他们使用 CSCS 超级计算机“Piz Daint”首先使用密度泛函理论(DFT)确定了这些材料的原子结构。然后，他们将这些计算与所谓的量子传输求解器相结合，以模拟电子和空穴电流流过虚拟生成的晶体管。使用的量子传输模拟器由 Luisier 与另一个 ETH 研究团队共同开发，其底层方法获得了 2019 年的戈登贝尔奖。

寻找最佳二维候选

晶体管生存能力的决定性因素是电流是否可以通过一个或多个栅极触点进行最佳控制。由于二维材料的超薄特性(通常比纳米还薄)，单个栅极触点可以调节电子流和空穴电流，从而完全打开和关闭晶体管。

“虽然所有二维材料都具有这种特性，但并非所有材料都适用于逻辑应用，”Luisier 强调说，“只有那些在价带和导带之间具有足够大的带隙的材料才适用。” 具有合适带隙的材料可以防止所谓的电子隧道效应，从而防止由它们引起的漏电流。研究人员在模拟中寻找的正是这些材料。

他们的目标是找到可以提供大于每微米 3 毫安的电流的二维材料，既可以作为 n 型晶体管(电子传输)，也可以作为 p 型晶体管(空穴传输)，并且其沟道长度可以一样小为 5 纳米，而不会影响开关行为。“只有满足这些条件，基于二维材料的晶体管才能超越传统的 Si FinFET，”Luisier 说。

球现在在实验研究人员的球场上

考虑到这些方面，研究人员确定了 13 种可能的二维材料，可以用来构建未来的晶体管，并且还可以使摩尔缩放定律得以延续。其中一些材料是已知的，例如黑磷或HfS 2，但 Luisier 强调其他材料是全新的——例如 Ag 2 N 6或 O 6 Sb 4的化合物。

“由于我们的模拟，我们已经创建了最大的晶体管材料数据库之一。有了这些结果，我们希望激励实验者使用二维材料剥离新晶体并创建下一代逻辑开关，”ETH 教授说。由 Luisier 和 Marzari 领导的研究小组在国家研究能力中心 (NCCR) MARVEL 密切合作，现已在ACS Nano杂志上发表了他们最新的联合成果。他们相信基于这些新材料的晶体管可以取代由硅或目前流行的过渡金属二硫属化物制成的晶体管。

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