Con la creciente miniaturización de componentes electrónicos, Los investigadores están luchando con efectos secundarios indeseables:en el caso de los transistores de escala nanométrica hechos de materiales convencionales como el silicio, se producen efectos cuánticos que perjudican su funcionalidad. Uno de estos efectos cuánticos, por ejemplo, son corrientes de fuga adicionales, es decir, corrientes que fluyen "por mal camino" y no a través del conductor provisto entre la fuente y los contactos de drenaje. Por tanto, se cree que la ley de escala de Moore, que establece que el número de circuitos integrados por unidad de área se duplica cada 12-18 meses, alcanzará sus límites en un futuro próximo debido a los crecientes desafíos asociados con la miniaturización de sus componentes activos. En última instancia, esto significa que los transistores basados ​​en silicio fabricados actualmente, llamados FinFET y que equipan casi todas las supercomputadoras, ya no pueden hacerse arbitrariamente más pequeños debido a los efectos cuánticos.

Faros bidimensionales de esperanza

Sin embargo, Un nuevo estudio realizado por investigadores de ETH Zurich y EPF Lausanne muestra que este problema podría superarse con nuevos materiales bidimensionales (2-D), o al menos eso es lo que sugieren las simulaciones que han llevado a cabo en la supercomputadora "Piz Daint". .

El grupo de investigación, dirigido por Mathieu Luisier del Instituto de Sistemas Integrados (IIS) en ETH Zurich y Nicola Marzari de EPF Lausanne, utilizó los resultados de la investigación que Marzari y su equipo ya habían logrado como base para sus nuevas simulaciones:En 2018, 14 años después del descubrimiento del grafeno, quedó claro que se podían producir materiales bidimensionales, utilizaron simulaciones complejas en "Piz Daint" para examinar un grupo de más de 100, 000 materiales; extrajeron 1, 825 componentes prometedores de los que se podrían obtener capas de material bidimensional.

Los investigadores seleccionaron 100 candidatos de estos más de 1, 800 materiales, cada uno de los cuales consta de una monocapa de átomos y podría ser adecuado para la construcción de transistores de efecto de campo (FET) ultraescalados. Ahora han investigado sus propiedades bajo el microscopio "ab initio". En otras palabras, utilizaron la supercomputadora CSCS "Piz Daint" para determinar primero la estructura atómica de estos materiales utilizando la teoría funcional de la densidad (DFT). Luego combinaron estos cálculos con un solucionador de transporte cuántico para simular los flujos de corriente de electrones y huecos a través de los transistores generados virtualmente. El Simulador de Transporte Cuántico utilizado fue desarrollado por Luisier junto con otro equipo de investigación de ETH, y el método subyacente fue galardonado con el Premio Gordon Bell en 2019.

Encontrar el candidato 2-D óptimo

El factor decisivo para la viabilidad del transistor es si la corriente se puede controlar de manera óptima mediante uno o varios contactos de puerta. Gracias a la naturaleza ultradelgada de los materiales 2-D, generalmente más delgados que un nanómetro, un contacto de puerta única puede modular el flujo de electrones y las corrientes de los huecos. así encender y apagar completamente un transistor.

Estructura de un FET de puerta única con un canal de material 2-D. A su alrededor hay una selección de materiales bidimensionales que se han investigado. (Mathieu Luisier / ETH Zürich)

"Aunque todos los materiales 2-D tienen esta propiedad, no todos se prestan a aplicaciones lógicas, Luisier enfatiza, "sólo aquellos que tienen un intervalo de banda suficientemente grande entre la banda de valencia y la banda de conducción". Los materiales con una banda prohibida adecuada evitan los denominados efectos de túnel de los electrones y, por tanto, las corrientes de fuga provocadas por ellos. Son precisamente estos materiales los que buscaban los investigadores en sus simulaciones.

Su objetivo era encontrar materiales 2-D que pudieran suministrar una corriente superior a 3 miliamperios por micrómetro, tanto como transistores de tipo n (transporte de electrones) como transistores de tipo p (transporte de huecos), y cuya longitud de canal puede ser tan pequeña como 5 nanómetros sin perjudicar el comportamiento de conmutación. "Solo cuando se cumplen estas condiciones, los transistores basados ​​en materiales bidimensionales pueden superar a los Si FinFET convencionales, "dice Luisier.

La pelota está ahora en la cancha de los investigadores experimentales

Teniendo en cuenta estos aspectos, los investigadores identificaron 13 posibles materiales 2-D con los que se podrían construir futuros transistores y que también podrían permitir la continuación de la ley de escala de Moore. Algunos de estos materiales ya son conocidos, por ejemplo fósforo negro o HfS2, pero Luisier enfatiza que otros son completamente nuevos, compuestos como Ag2N6 u O6Sb4.

"Hemos creado una de las mayores bases de datos de materiales de transistores gracias a nuestras simulaciones. Con estos resultados, Esperamos motivar a los experimentadores que trabajan con materiales 2-D para exfoliar nuevos cristales y crear interruptores lógicos de próxima generación. "dice el profesor de ETH. Los grupos de investigación liderados por Luisier y Marzari trabajan en estrecha colaboración en el Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) MARVEL y ahora han publicado sus últimos resultados conjuntos en la revista ACS Nano . Están seguros de que los transistores basados ​​en estos nuevos materiales podrían reemplazar a los hechos de silicio o de los populares dicalcogenuros de metales de transición.