Simulations-Mikroskop prüft Transistoren der Zukunft

Mit zunehmender Miniaturisierung elektronischer Bauelemente k?mpfen Forschende mit unerw¨¹nschten Nebeneffekten: Bei Transistoren im Nanometer-Massstab aus herk?mmlichen Materialien wie Silizium, kann es zu Quanteneffekten kommen, die die Funktion der Bauteile beeintr?chtigen. Zu ihnen z?hlen zum Beispiel Leckstr?me. Das sind Str?me, die auf ?Abwegen? fliessen und nicht ¨¹ber den daf¨¹r vorgesehenen Leiter, zwischen dem Source- und Drain-Kontakt. Deshalb ging man davon aus, dass das Moore'sche Gesetz wegen dieser fortschreitenden Miniaturisierung in naher Zukunft an seine Grenzen st?sst. Dieses Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der integrierten Schaltkreise pro Fl?cheneinheit alle 12 bis 18 Monate verdoppelt.

Letztlich bedeutet dies, dass die derzeit hergestellten Transistoren auf Siliziumbasis - FinFETs genannt und mit denen fast jeder Supercomputer ausgestattet ist - aufgrund von Quanteneffekten nicht mehr beliebig kleiner gebaut werden k?nnen.

Zweidimensionale Hoffnungstr?ger

Eine neue Studie Forschender der ETH Z¨¹rich und der EPF Lausanne geht nun aber davon aus, dass dieses Problem mit neuen zweidimensionalen Materialien ¨¹berwunden werden k?nnte. Das zumindest lassen die von ihnen durchgef¨¹hrten Simulationen auf dem Supercomputer ?Piz Daint? vermuten.

Die Forschungsgruppe von Mathieu Luisier vom Institut f¨¹r Integrierte System (IIS) an der ETH Z¨¹rich und Nicola Marzari von der EPFL nutzten f¨¹r ihre Simulationen die Forschungsergebnisse, die Marzari und sein Team 2018 erzielt hatten: Aus einem Pool von ¨¹ber 100'000 Materialien extrahierten sie damals mit Hilfe von aufwendigen Simulationen auf ?Piz Daint? 1825 vielversprechende Komponenten, aus denen zweidimensionale Materiallagen gewonnen werden k?nnten ¨C dies 14 Jahre nach der Entdeckung von Graphen. Dabei wurde sich die Forschung erstmals bewusst, dass sie zweidimensionale Materialien herstellen kann.

Die Forschenden haben nun von diesen ¨¹ber 1800 Materialien 100 Kandidaten ausgew?hlt, die aus einer Monoschicht von Atomen bestehen und sich f¨¹r den Bau von hochskalierenden Feldeffekttransistoren (FETs) eignen k?nnten. Unter dem ?ab initio?-Mikroskop untersuchten sie deren Eigenschaften. Das heisst, sie haben auf dem CSCS-Supercomputer ?Piz Daint? zuerst die Dynamik der Molek¨¹le, aus denen das Material besteht, einschliesslich deren Elektronenstruktur, berechnet. Diese Berechnungen kombinierten sie mit einem sogenannten Quantum Transport Simulator, um die m?glichen Elektronen- oder Loch-Stromfl¨¹sse durch die virtuell erzeugten Transistoren zu simulieren. Der genutzte Quantum Transport Simulator wurde von Mathieu Luisier zusammen mit einem weiteren ETH-Forschungsteam entwickelt. Luisier und sein Team erhielten 2019 f¨¹r das dem Simulator zugrundeliegende Verfahren den Gordon-Bell-Preis.

Den optimalen Kandidaten finden

Entscheidend f¨¹r den Transistor ist, dass die Stromfl¨¹sse von einer oder mehreren Steuerelektroden des Transistors, den Gate-Kontakten, optimal kontrolliert werden k?nnen. Dank der ultrad¨¹nnen Natur von zweidimensionalen Materialien ¨C sie sind meist d¨¹nner als ein Nanometer ¨C, kann ein einziger Gate-Kontakt (single-gate) den Fluss von Elektronen und Lochstr?men modulieren, und einen Transistor komplett ein- und ausschalten.

?Obwohl alle 2-D Materialien diese Eigenschaft besitzen, eignen sich nicht alle f¨¹r logische Anwendungen?, betont Luisier, ?nur solche die zwischen Valenzband und Leitungsband eine ausreichend grosse Bandl¨¹cke haben.? Die Materialien mit grosser Bandl¨¹cke verhindern sogenannte Tunneleffekte der Elektronen und somit die dadurch verursachten Leckstr?me ¨C genau nach diesen Materialien suchten die Forschenden in ihren Simulationen.

Ihr Ziel war, zweidimensionale Materialien zu finden, die sowohl als n-Typ-Transistor (Elektron-Transport) wie auch als p-Typ-Transistor (Loch-Transport) einen Strom liefern k?nnen, der st?rker als drei Milliampere pro Mikrometer ist. Deren Kanall?nge darf zudem bis zu f¨¹nf Nanometer winzig sein, ohne dass dies das Schaltverhalten beeintr?chtigt. ?Erst wenn diese Bedingungen erf¨¹llt sind, k?nnen auf zweidimensionale Materialien basierende Transistoren die herk?mmlichen Si-FinFETs ¨¹bertreffen?, sagt Luisier.

Der Ball liegt bei den Experimentalforschern

Unter Ber¨¹cksichtigung dieser Aspekte identifizierten die Forschenden 13 m?gliche zweidimensionale Materialien, mit denen solche Transistoren gebaut werden und die zugleich die Fortsetzung des Mooreschen Skalierungsgesetzes gew?hrleisten k?nnten. Einige der gefundenen Materialien sind bereits bekannt, zum Beispiel Schwarzer Phosphor oder HfS2, ein sogenanntes ?bergangsmetall-Dichalkogenid. Andere seien jedoch neu, betont der Forscher. Zu ihnen z?hlen Verbindungen wie Ag₂N₆ oder O₆Sb₄.

?Wir haben eine der gr?ssten Datenbanken von Transistormaterialien kreiert. Mit diesen Ergebnissen hoffen wir, dass wir Experimentatoren, die mit 2-D Materialien arbeiten, dazu motivieren neue Kristalle zu exfolieren, um damit die k¨¹nftigen logischen Schalter herzustellen?, sagt der ETH-Professsor.

Die Forschungsgruppen von Luisier und Marzari arbeiten eng im National Centre of Competence in Research (NCCR) ?Marvel? zusammen und publizierten ihre j¨¹ngsten gemeinsamen Ergebnisse in der Fachzeitschrift ACS Nano. Sie sind ¨¹berzeugt, dass Transistoren, die auf diesen neuen Materialien basieren, jene aus Silizium oder aus den derzeit popul?ren ?bergangsmetall-Dichalkogeniden abl?sen. Somit k?nnte die G¨¹ltigkeit des Mooreschen Gesetz weiter aufrechterhalten werden.

Dieser Text von Simone Ulmer erschien in Englisch auf der Website des externe Seite CSCS.