Il microscopio di simulazione testa i transistor del futuro

Con la crescente miniaturizzazione dei componenti elettronici, i ricercatori sono alle prese con effetti collaterali indesiderati: I transistor su scala nanometrica realizzati con materiali convenzionali come il silicio possono provocare effetti quantistici che compromettono il funzionamento dei componenti. Tra questi, ad esempio, le correnti di dispersione. Si tratta di correnti che scorrono lungo "deviazioni" e non attraverso il conduttore previsto, tra i contatti della sorgente e del drain. Si è quindi ipotizzato che la Legge di Moore avrebbe raggiunto i suoi limiti nel prossimo futuro a causa della progressiva miniaturizzazione. Questa legge stabilisce che il numero di circuiti integrati per unità di superficie raddoppia ogni 12-18 mesi.

In definitiva, ciò significa che i transistor a base di silicio attualmente prodotti - noti come FinFET e di cui sono dotati quasi tutti i supercomputer - non possono più essere resi più piccoli a causa degli effetti quantistici.

Fari di speranza bidimensionali

Un nuovo studio condotto da ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'EPF di Losanna ipotizza che questo problema possa essere superato con nuovi materiali bidimensionali. Almeno questo è quanto suggeriscono le simulazioni effettuate sul supercomputer "Piz Daint".

Il gruppo di ricerca guidato da Mathieu Luisier dell'Institute of Integrated Systems (IIS) dell'ETH di Zurigo e da Nicola Marzari dell'EPFL ha utilizzato per le sue simulazioni i risultati di ricerca ottenuti da Marzari e dal suo team nel 2018: Da un pool di oltre 100.000 materiali, hanno estratto 1825 componenti promettenti da cui è stato possibile ottenere strati di materiale bidimensionale utilizzando complesse simulazioni su "Piz Daint" - questo 14 anni dopo la scoperta del grafene. Per la prima volta i ricercatori si sono resi conto di poter produrre materiali bidimensionali.

I ricercatori hanno ora selezionato 100 candidati tra questi oltre 1800 materiali che consistono in un monostrato di atomi e che potrebbero essere adatti alla costruzione di transistor a effetto campo (FET) ad alta scala. Nell'ambito del progetto "ab initio"Al microscopio, hanno studiato le loro proprietà. In altre parole, hanno prima calcolato la dinamica delle molecole che compongono il materiale, compresa la loro struttura elettronica, sul supercomputer del CSCS "Piz Daint". Hanno poi combinato questi calcoli con un cosiddetto simulatore di trasporto quantistico per simulare i possibili flussi di corrente di elettroni o buche attraverso i transistor generati virtualmente. Il simulatore di trasporto quantistico utilizzato è stato sviluppato da Mathieu Luisier insieme a un altro gruppo di ricerca dell'ETH. Luisier e il suo team hanno ricevuto il Gordon Bell Prize nel 2019 per il metodo su cui si basa il simulatore.

Trovare il candidato ottimale

Per il transistor è fondamentale che il flusso di corrente da uno o più elettrodi di controllo del transistor, i contatti di gate, possa essere controllato in modo ottimale. Grazie alla natura ultrasottile dei materiali bidimensionali - di solito sono più sottili di un nanometro - un singolo contatto di gate (single-gate) può modulare il flusso di correnti di elettroni e di buche e accendere e spegnere completamente un transistor.

"Sebbene tutti i materiali 2D abbiano questa proprietà, non tutti sono adatti alle applicazioni logiche", sottolinea Luisier, "solo quelli che hanno un band gap sufficientemente ampio tra la banda di valenza e la banda di conduzione". I materiali con un band gap ampio impediscono i cosiddetti effetti di tunnelling degli elettroni e quindi le correnti di dispersione che ne derivano: erano proprio questi i materiali che i ricercatori cercavano nelle loro simulazioni.

L'obiettivo era trovare materiali bidimensionali in grado di erogare una corrente superiore a tre milliampere per micrometro sia come transistor di tipo n (trasporto di elettroni) sia come transistor di tipo p (trasporto di buche). La lunghezza del canale può essere anche di cinque nanometri senza influire sul comportamento di commutazione. "Solo quando queste condizioni sono soddisfatte, i transistor basati su materiali bidimensionali possono superare i FinFET convenzionali in Si", afferma Luisier.

La palla è nel campo dei ricercatori sperimentali

Tenendo conto di questi aspetti, i ricercatori hanno identificato 13 possibili materiali bidimensionali che potrebbero essere utilizzati per costruire tali transistor e allo stesso tempo garantire la continuazione della legge di Moore sulla scalabilità. Alcuni dei materiali individuati sono già noti, ad esempio il fosforo nero o l'HfS2, un cosiddetto dicalcogenuro di metalli di transizione. Altri, invece, sono nuovi, sottolinea il ricercatore. Si tratta di composti come l'Ag₂N₆ o O₆Sb₄.

"Abbiamo creato uno dei più grandi database di materiali per transistor. Con questi risultati, speriamo di motivare gli sperimentatori che lavorano con materiali 2D a esfoliare nuovi cristalli per produrre gli interruttori logici del futuro", afferma l'ETH.

I gruppi di ricerca di Luisier e Marzari lavorano a stretto contatto nel Centro nazionale di competenza per la ricerca (NCCR) "Marvel" e hanno pubblicato i loro ultimi risultati congiunti sulla rivista scientifica ACS Nano. Sono convinti che i transistor basati su questi nuovi materiali sostituiranno quelli realizzati in silicio o nei dicalcogenuri di metalli di transizione attualmente più diffusi. La validità della legge di Moore potrebbe così essere mantenuta.

Questo testo di Simone Ulmer è apparso in inglese sul sito web del pagina esternaCSCS.