Nano-transistor su un banco di prova virtuale

Oggi i componenti elettronici hanno spesso dimensioni di pochi nanometri (miliardesimi di metro). Secondo la Legge di Moore, ad esempio, le dimensioni di un transistor si dimezzano ogni due anni. Solo in questo modo è possibile collocare oggi due miliardi di transistor in formato nanometrico sul chip di uno smartphone. Questi minuscoli dispositivi garantiscono che lo smartphone possa soddisfare le crescenti esigenze di essere un telefono e una fotocamera, oltre che una videocamera, un motore di ricerca, un monitor per la salute personale e un intrattenitore di alto livello. Allo stesso tempo, i componenti devono essere efficienti dal punto di vista energetico ed economici da produrre.

Più i componenti elettronici diventano piccoli, più è difficile produrli. Per fare un confronto: un globulo rosso ha un diametro di 7000 nanometri e un capello umano di 80.000 nanometri. Produrre un transistor di 20 nanometri o più piccolo da semiconduttori come il silicio non è quindi solo una sfida tecnica. Anche gli effetti fisici, le cosiddette leggi della meccanica quantistica, fanno sì che le proprietà dei materiali cambino su scala nanometrica. Ciò rende difficile la vita di progettisti e ingegneri nello sviluppo e nella costruzione di nanodispositivi. Il professor Mathieu Luisier dell'Istituto di sistemi integrati dell'ETH di Zurigo li aiuta ora.

Previsione al computer

Da più di dieci anni Luisier sviluppa un software che simula i transistor del futuro, che hanno dimensioni di pochi nanometri. ? supportato dal supercomputer del CSCS "Piz Daint", che aiuta a prevedere cosa accadrà quando la composizione, la forma e le dimensioni dei materiali cambieranno nel mondo delle scale nanometriche. Per Luisier, "Piz Daint" è attualmente la macchina di simulazione migliore e più efficiente nella ricerca di nuove combinazioni ideali di materiali. Il lavoro all'ETH ha riscosso grande interesse da parte dell'industria, poiché le simulazioni consentono di risparmiare tempo e costi di sperimentazione nel processo di sviluppo di nuovi ed efficienti componenti elettronici.

Un problema quando miliardi di transistor convenzionali vengono inseriti in un chip è che generano molto calore e quindi si surriscaldano facilmente. Il motivo è che gli elettroni rilasciano energia durante il loro percorso attraverso il transistor. Luisier e il suo team utilizzano il software OMEN - un cosiddetto simulatore quantistico - per simulare il trasporto di elettroni a livello atomico, al fine di studiare cosa accade esattamente. Il transistor simulato è costituito da un nanofilo fatto di cristalli di silicio. "Quando gli elettroni attraversano il filo, inizialmente hanno un'energia elevata e costante, che poi diminuisce gradualmente e viene assorbita dal reticolo cristallino del silicio sotto forma di cosiddetti fononi", spiega Luisier. Quando gli elettroni e i fononi interagiscono tra loro, il cristallo si riscalda e l'energia totale viene trattenuta: per i ricercatori è la prova che il loro modello riproduce correttamente il processo. L'obiettivo è ora quello di Umwelt und Geomatik di costruire il transistor sulla base delle conoscenze acquisite con le simulazioni, in modo che gli elettroni perdano la minor energia possibile durante il loro percorso.

Giocare con i cristalli

Nelle loro simulazioni, i ricercatori possono "giocare" con la disposizione dei diversi strati cristallini nel cristallo e modificare la struttura cristallina, oppure sostituire il silicio con un altro materiale semiconduttore. D'altra parte, possono testare le funzionalità e le diverse proprietà dei cristalli simulati.

Ad esempio, i ricercatori hanno simulato un nanofilo il cui canale è racchiuso da un ossido e da un contatto metallico (gate). I fononi emessi dagli elettroni sono per così dire intrappolati nel gate. I fononi possono lasciare la struttura solo in alcuni punti, all'inizio e alla fine del nanofilo. "Se si sostituisce la guaina intorno al filo con una struttura che assomiglia a una lettera omega, si ottiene una superficie più ampia su cui i fononi possono sfuggire", spiega Luisier. Se la superficie è anche a contatto diretto con un segmento di raffreddamento, il transistor si riscalda meno.

Tuttavia, i semiconduttori produrrebbero meno calore anche se fossero realizzati con materiali come l'arseniuro di indio e gallio o il germanio. Questo perché gli elettroni possono muoversi più rapidamente attraverso questi materiali. Tuttavia, sono molto più costosi del silicio.

Durante le simulazioni, i ricercatori generano le strutture progettate atomo per atomo. Come nel metodo convenzionale "ab-initio", ampiamente utilizzato per analizzare le proprietà dei materiali, anche nelle simulazioni effettuate da Luisier e dal suo team viene risolta l'equazione di Schr?dinger. Questo permette di analizzare come gli elettroni e i fononi interagiscono tra loro.

Tuttavia, ci sono due differenze principali: Mentre il metodo "ab-initio" risolve il moto ondoso degli elettroni in un sistema chiuso o in un sistema che si ripete periodicamente, il gruppo di Luisier integra il metodo con condizioni al contorno in apertura. In questo modo è possibile simulare il trasporto. Gli scienziati possono quindi osservare sia i flussi di elettroni che i flussi termici e descrivere anche l'accoppiamento con l'ambiente, l'interazione del flusso di elettroni con i flussi termici. Un'altra differenza è che attualmente i calcoli con OMEN vengono ancora eseguiti utilizzando modelli empirici, poiché sono ancora troppo complessi e computazionalmente intensivi "ab-initio".

Alta prestazione computazionale

Tuttavia, in collaborazione con scienziati dell'Università della Svizzera italiana e dell'EPF di Losanna, nell'ambito di un progetto PASC si stanno sviluppando nuovi algoritmi per rendere i calcoli più efficienti. "A medio termine, vogliamo sostituire tutti i modelli empirici con modelli "ab-initio", in modo da poter calcolare con maggiore facilità e precisione le strutture costituite da materiali diversi", spiega Luisier. "Per farlo, abbiamo bisogno di algoritmi ottimizzati e di macchine come Piz Daint".

Luisier sottolinea, tuttavia, che il loro approccio empirico è assolutamente all'avanguardia, qualcosa che, a sua conoscenza, non è mai stato visto prima nello sviluppo di nanodispositivi elettronici. Un altro obiettivo di ricerca del suo gruppo è la simulazione delle batterie agli ioni di litio. "Se comprendiamo con maggiore precisione lo sviluppo del calore nei transistor o nelle batterie, possiamo proporre di conseguenza progetti migliori", afferma Luisier. "OMEN è un simulatore di dispositivi di nuova generazione in cui gli ingegneri usano concetti che in precedenza erano utilizzati solo nella scienza dei materiali, nella chimica o nella fisica".

Simone Ulmer è redattrice scientifica presso il pagina esternaCSCS,dove questo articolo è stato pubblicato per la prima volta.