Simulations-Mikroskop prüft Transistoren der Zukunft

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Struktur eines single-gate Feldeffekttransistors mit einem Kanal aus einem zweid

Struktur eines single-gate Feldeffekttransistors mit einem Kanal aus einem zweidimensionalen Material. Drumherum angeordnet befindet sich eine Auswahl an zweidimensionalen Materialien, die untersucht wurden. (Grafik: ETH Zürich / EPFL / CSCS)

Seit der Entdeckung von Graphen stehen zweidimensionale Materialien im Fokus der Materialforschung. Mit ihnen liessen sich unter anderem winzige, leistungsstarke Transistoren bauen. Forscher der ETH Zürich und der EPF Lausanne haben nun aus 100 möglichen Materialien 13 vielversprechende Kandidaten entdeckt.

Mit zunehmender Miniaturisierung elektronischer Bauelemente kämpfen Forschende mit unerwünschten Nebeneffekten: Bei Transistoren im Nanometer-Massstab aus herkömmlichen Materialien wie Silizium, kann es zu Quanteneffekten kommen, die die Funktion der Bauteile beeinträchtigen. Zu ihnen zählen zum Beispiel Leckströme. Das sind Ströme, die auf «Abwegen» fliessen und nicht über den dafür vorgesehenen Leiter, zwischen dem Sourceund Drain-Kontakt. Deshalb ging man davon aus, dass das Moore’sche Gesetz wegen dieser fortschreitenden Miniaturisierung in naher Zukunft an seine Grenzen stösst. Dieses Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der integrierten Schaltkreise pro Flächeneinheit 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 können.

Zweidimensionale Hoffnungsträger

Eine neue Studie Forschender der ETH Zürich und der EPF Lausanne geht nun aber davon aus, dass dieses Problem mit neuen zweidimensionalen Materialien überwunden werden könnte. Das zumindest lassen die von ihnen durchgeführten Simulationen auf dem Supercomputer «Piz Daint» vermuten.

Die Forschungsgruppe von Mathieu Luisier vom Institut für Integrierte System (IIS) an der ETH Zürich und Nicola Marzari von der EPFL nutzten für ihre Simulationen die Forschungsergebnisse, die Marzari und sein Team 2018 erzielt hatten: Aus einem Pool von über 100’000 Materialien extrahierten sie damals mit Hilfe von aufwendigen Simulationen auf «Piz Daint» 1825 vielversprechende Komponenten, aus denen zweidimensionale Materiallagen gewonnen werden könnten - 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 über 1800 Materialien 100 Kandidaten ausgewählt, die aus einer Monoschicht von Atomen bestehen und sich für den Bau von hochskalierenden Feldeffekttransistoren (FETs) eignen könnten. Unter dem «ab initio»-Mikroskop untersuchten sie deren Eigenschaften. Das heisst, sie haben auf dem CSCS-Supercomputer «Piz Daint» zuerst die Dynamik der Moleküle, aus denen das Material besteht, einschliesslich deren Elektronenstruktur, berechnet. Diese Berechnungen kombinierten sie mit einem sogenannten Quantum Transport Simulator, um die möglichen Elektronenoder Loch-Stromflüsse 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 für das dem Simulator zugrundeliegende Verfahren den Gordon-Bell-Preis.

Den optimalen Kandidaten finden

Entscheidend für den Transistor ist, dass die Stromflüsse von einer oder mehreren Steuerelektroden des Transistors, den Gate-Kontakten, optimal kontrolliert werden können. Dank der ultradünnen Natur von zweidimensionalen Materialien - sie sind meist dünner als ein Nanometer - kann ein einziger Gate-Kontakt (single-gate) den Fluss von Elektronen und Lochströmen modulieren, und einen Transistor komplett einund ausschalten.

«Obwohl alle 2-D Materialien diese Eigenschaft besitzen, eignen sich nicht alle für logische Anwendungen», betont Luisier, «nur solche die zwischen Valenzband und Leitungsband eine ausreichend grosse Bandlücke haben.» Die Materialien mit grosser Bandlücke verhindern sogenannte Tunneleffekte der Elektronen und somit die dadurch verursachten Leckströme - 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 können, der stärker als drei Milliampere pro Mikrometer ist. Deren Kanallänge darf zudem bis zu fünf Nanometer winzig sein, ohne dass dies das Schaltverhalten beeinträchtigt. «Erst wenn diese Bedingungen erfüllt sind, können auf zweidimensionale Materialien basierende Transistoren die herkömmlichen Si-FinFETs übertreffen», sagt Luisier.

Der Ball liegt bei den Experimentalforschern

Unter Berücksichtigung dieser Aspekte identifizierten die Forschenden 13 mögliche zweidimensionale Materialien, mit denen solche Transistoren gebaut werden und die zugleich die Fortsetzung des Mooreschen Skalierungsgesetzes gewährleisten könnten. Einige der gefundenen Materialien sind bereits bekannt, zum Beispiel Schwarzer Phosphor oder HfS2, ein sogenanntes Übergangsmetall-Dichalkogenid. Andere seien jedoch neu, betont der Forscher. Zu ihnen zählen Verbindungen wie Ag2N6 oder O6Sb4.

«Wir haben eine der grössten 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 künftigen 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 jüngsten gemeinsamen Ergebnisse in der Fachzeitschrift ACS Nano. Sie sind überzeugt, dass Transistoren, die auf diesen neuen Materialien basieren, jene aus Silizium oder aus den derzeit populären Übergangsmetall-Dichalkogeniden ablösen. Somit könnte die Gültigkeit des Mooreschen Gesetz weiter aufrechterhalten werden.

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

Literaturhinweis

Klinkert C, Szabo A, Stieger C, Campi D, Marzari N & Luisier M: 2-D Materials for Ultra-Scaled Field-Effect Transistors: Hundred Candidates under the Ab Initio Microscope, ACS Nano (2020), DOI: 10.1021/acsnano.0c02983