通過超級計(jì)算機(jī)的“模擬顯微鏡”仿真，創(chuàng)建新一代的晶體管材料

自從發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，二維材料一直是材料研究的重點(diǎn)。二維材料，是指電子僅可在兩個維度的納米尺度(1-100nm)上自由運(yùn)動(平面運(yùn)動)的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。二維材料是伴隨著2004年曼切斯特大學(xué)Geim 小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯(graphene) 而提出的。

納米材料是指材料在某一維、二維或三維方向上的尺度達(dá)到納米尺度。納米材料可以分為零維材料、一維材料、二維材料、三維材料。零維材料是指電子無法自由運(yùn)動的材料，如量子點(diǎn)、納米顆粒與粉末。

二維材料其它應(yīng)用外，它們還可用于制造微型高性能晶體管。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)模擬并評估了一百種可能的材料，并發(fā)現(xiàn)了13種有前途的候選材料。

隨著電子部件的小型化日益增加，研究人員正為所帶來的負(fù)面作用而苦苦掙扎：在用常規(guī)材料(如硅)制成的納米級晶體管的情況下，會發(fā)生量子效應(yīng)，從而削弱其功能。例如，這些量子效應(yīng)之一是額外的泄漏電流，即流經(jīng)“誤流”而不通過源極和漏極觸點(diǎn)之間提供的導(dǎo)體的電流。據(jù)信摩爾定標(biāo)定律指出，每單位面積集成電路的數(shù)量每12-18個月加倍，由于有源元件的小型化帶來的挑戰(zhàn)越來越大，摩爾定標(biāo)定律將在不久的將來達(dá)到極限。這最終意味著，由于量子效應(yīng)，不再能夠使當(dāng)前制造的幾乎配備了每臺超級計(jì)算機(jī)的稱為FinFET的硅基晶體管變得更小。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院洛桑分校的研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)新研究表明，可以使用新的二維材料解決這樣的問題，這就是他們在“Piz Daint”上進(jìn)行的模擬超級計(jì)算機(jī)建議。Piz Daint是位于瑞士國家超級計(jì)算中心(CSCS)的超級計(jì)算機(jī)，以瑞士阿爾卑斯山的Piz Daint山命名。

在2018年，該研究小組發(fā)現(xiàn)石墨烯后14年來首次明確表明可以生產(chǎn)二維材料，他們在“Piz Daint”上進(jìn)行了復(fù)雜的模擬，篩選出超過10萬種材料;他們提取了1,825個有希望的組件，可以從中獲得二維材料層。

研究人員從這1,800多種材料中選擇了100種候選材料，每種材料都由一個原子單層組成，可能適用于構(gòu)建超大規(guī)模場效應(yīng)晶體管(FET)。他們在顯微鏡下研究了其性能。換句話說，他們使用超級計(jì)算機(jī)“Piz Daint”首先使用密度泛函理論確定這些材料的原子結(jié)構(gòu)。然后，將這些計(jì)算與所謂的量子傳輸求解器(Quantum Transport solver)相結(jié)合，以模擬流過虛擬產(chǎn)生的晶體管的電子和空穴電流。所使用的量子傳輸模擬器是由該研究團(tuán)隊(duì)與另一個研究團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)的，其基本方法于去年獲得了戈登·貝爾獎。戈登貝爾獎(ACM Gordon Bell Prize)。是美國計(jì)算機(jī)協(xié)會于1987年設(shè)立的、每年頒發(fā)的一種超級電腦應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)獎。

晶體管生存能力的決定性因素是電流是否可以通過一個或多個柵極觸點(diǎn)最佳控制。由于通常比納米薄的二維材料的超薄特性，單個柵極觸點(diǎn)可以調(diào)節(jié)電子流和空穴電流，從而完全打開和關(guān)閉晶體管。

研究人員強(qiáng)調(diào)：“盡管所有二維材料都具有這種特性，但并不是所有的材料都適合邏輯應(yīng)用，只有那些在價帶和導(dǎo)帶之間具有足夠的帶隙的材料?！本哂泻线m帶隙的材料可防止所謂的電子隧穿效應(yīng)，從而防止電子引起的漏電流。研究人員正是在模擬中尋找這樣的材料。

他們的目標(biāo)是找到可以提供每微米大于3毫安電流的二維材料，既可以作為電子傳輸?shù)膎型晶體管，也可以作為空穴傳輸?shù)膒型晶體管，并且其溝道長度可以小到厚度只為5納米，而不會影響開關(guān)性能。研究人員說：“只有滿足這些條件，基于二維材料的晶體管才能超越現(xiàn)在超級計(jì)算機(jī)所使用的稱為FinFET的硅基晶體管。”

考慮到這些方面，研究人員確定了13種可能的2D材料，可以用它們來構(gòu)建未來新一代的晶體管，并且還可以使摩爾定律得以延續(xù)。其中一些材料是已知的，例如黑磷即HfS2，但研究人員強(qiáng)調(diào)其它材料卻是全新的，例如Ag2N6或O6Sb4。

研究人員表示：“由于我們的超級計(jì)算機(jī)的“模擬顯微鏡”的仿真，我們創(chuàng)建了最大的晶體管材料數(shù)據(jù)庫之一?；谶@些研究結(jié)果，我們希望激發(fā)研究人員使用二維材料剝落新晶體并創(chuàng)建下一代邏輯開關(guān)?！蔽覀兿嘈牛谶@些新材料的晶體管可以替代由硅或目前流行的過渡金屬硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenide)制成的晶體管。

該最新研究成果論文發(fā)表在最近的頂尖納米期刊《ACS Nano》雜志上。