El "Microscopio de simulación" examina los transistores del futuro
"Hemos creado una de las mayores bases de datos de materiales de transistores"
Desde el descubrimiento del grafeno, los materiales bidimensionales han sido el centro de la investigación de materiales. Entre otras cosas, podrían utilizarse para construir pequeños transistores de alto rendimiento. Los investigadores del ETH Zurich y del EPF Lausana han simulado y evaluado cien posibles materiales para este propósito y han descubierto 13 candidatos prometedores.
Estructura de un FET de una sola puerta con un canal hecho de un material 2-D. A su alrededor hay una selección de materiales 2-D que han sido investigados.
ETH Zürich / EPFL / CSCS
Con la creciente miniaturización de los componentes electrónicos, los investigadores están luchando contra los efectos secundarios indeseables: En el caso de los transistores a escala nanométrica fabricados con materiales convencionales como el silicio, se producen efectos cuánticos que perjudican su funcionalidad. Uno de esos efectos cuánticos, por ejemplo, son las corrientes de fuga adicionales, es decir, corrientes que fluyen "por la borda" y no a través del conductor proporcionado entre los contactos de la fuente y el drenaje.
Por lo tanto, se cree que la ley de escalado de Moore, que establece que el número de circuitos integrados por unidad de superficie se duplica cada 12-18 meses, alcanzará sus límites en un futuro próximo debido a los crecientes desafíos asociados a la miniaturización de sus componentes activos. Esto significa, en última instancia, que los transistores basados en el silicio que se fabrican actualmente - denominados FinFET y que equipan a casi todas las supercomputadoras - ya no pueden hacerse arbitrariamente más pequeños debido a los efectos cuánticos.
Balizas bidimensionales de esperanza
Sin embargo, un nuevo estudio realizado por investigadores del ETH Zurich y del EPF Lausana 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 el superordenador "Piz Daint".
El grupo de investigación, dirigido por Mathieu Luisier del Instituto de Sistemas Integrados (IIS) del ETH Zurich y Nicola Marzari del EPF Lausana, 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 de que el descubrimiento del grafeno dejara claro por primera vez que se podían producir materiales bidimensionales, utilizaron complejas simulaciones en "Piz Daint" para cribar un conjunto de más de 100.000 materiales; extrajeron 1.825 prometedores componentes de los que se podían obtener capas bidimensionales de material.
Los investigadores seleccionaron 100 candidatos de estos más de 1.800 materiales, cada uno de los cuales consiste en una monocapa de átomos y podría ser adecuado para la construcción de transistores de efecto de campo a ultraescala (FET). 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 llamado solucionador de transporte cuántico para simular los flujos de corriente de electrones y agujeros a través de los transistores generados virtualmente. El Simulador de Transporte Cuántico utilizado fue desarrollado por Luisier junto con otro equipo de investigación de la ETH, y el método subyacente fue galardonado con el Premio Gordon Bell en 2019.
Encontrar el candidato óptimo para el 2D
El factor decisivo para la viabilidad del transistor es si la corriente puede ser controlada de manera óptima por uno o varios contactos de puerta. Gracias a la naturaleza ultrafina de los materiales bidimensionales, normalmente más delgados que un nanómetro, un solo contacto de puerta puede modular el flujo de electrones y las corrientes de los agujeros, conectando y desconectando completamente un transistor.
"Aunque todos los materiales 2D tienen esta propiedad, no todos se prestan a aplicaciones lógicas", enfatiza Luisier, "sólo aquellos que tienen un espacio de banda suficientemente grande entre la banda de valencia y la banda de conducción". Los materiales con un espacio de banda adecuado evitan los llamados efectos túnel de los electrones y, por lo tanto, las corrientes de fuga causadas por ellos. Son precisamente estos materiales los que los investigadores buscaban en sus simulaciones.
Su objetivo era encontrar materiales bidimensionales que pudieran suministrar una corriente superior a 3 miliamperios por micrómetro, tanto en forma de transistores de tipo n (transporte de electrones) como de transistores de tipo p (transporte de agujeros), y cuya longitud de canal pudiera ser tan pequeña como 5 nanómetros sin perjudicar el comportamiento de conmutación. "Sólo cuando se cumplen estas condiciones, los transistores basados en materiales bidimensionales pueden superar a los FinFETs de Si 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 2D con los que se podrían construir futuros transistores y que también podrían permitir la continuación de la ley de escalada de Moore. Algunos de estos materiales ya son conocidos, por ejemplo el fósforo negro o el HfS2, pero Luisier destaca que otros son completamente nuevos, compuestos como el Ag2N6 o el 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 2D para exfoliar nuevos cristales y crear interruptores lógicos de próxima generación", dice el profesor de la ETH. Los grupos de investigación dirigidos 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. Confían en que los transistores basados en estos nuevos materiales puedan sustituir a los de silicio o a los dicalcogenuros de metales de transición, actualmente populares.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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