q&more
Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

News

Simulations-Mikroskop prüft Transistoren der Zukunft

"Wir haben eine der grössten Datenbanken von Transistormaterialien kreiert"

ETH Zürich / EPFL / CSCS

Struktur eines single-​gate Feldeffekttransistors mit einem Kanal aus einem zweidimensionalen Material. Drumherum angeordnet befindet sich eine Auswahl an zweidimensionalen Materialien, die untersucht wurden.

12.08.2020: Seit der Entdeckung von Graphen stehen zweidimensionale Materialien im Fokus der Materialforschung. Mit ihnen liessen sich unter anderem winzige, leistungsstarke Transistoren bauen. Forscher der ETH Zürich und der EPF Lausanne haben nun aus 100 möglichen Materialien 13 vielversprechende Kandidaten entdeckt.

Mit zunehmender Miniaturisierung elektronischer Bauelemente kämpfen Forscher mit unerwünschten Nebeneffekten: Bei Transistoren im Nanometer-​Massstab aus herkömmlichen Materialien wie Silizium, kann es zu Quanteneffekten kommen, die die Funktion der Bauteile beeinträchtigen. Zu ihnen zählen zum Beispiel Leckströme. Das sind Ströme, die auf «Abwegen» fliessen und nicht über den dafür vorgesehenen Leiter, zwischen dem Source-​ und Drain-​Kontakt. Deshalb ging man davon aus, dass das Moore'sche Gesetz wegen dieser fortschreitenden Miniaturisierung in naher Zukunft an seine Grenzen stösst. Dieses Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der integrierten Schaltkreise pro Flächeneinheit alle 12 bis 18 Monate verdoppelt.

Letztlich bedeutet dies, dass die derzeit hergestellten Transistoren auf Siliziumbasis - FinFETs genannt und mit denen fast jeder Supercomputer ausgestattet ist - aufgrund von Quanteneffekten nicht mehr beliebig kleiner gebaut werden können.

Zweidimensionale Hoffnungsträger

Eine neue Studie Forschender der ETH Zürich und der EPF Lausanne geht nun aber davon aus, dass dieses Problem mit neuen zweidimensionalen Materialien überwunden werden könnte. Das zumindest lassen die von ihnen durchgeführten Simulationen auf dem Supercomputer «Piz Daint» vermuten.

Die Forschungsgruppe von Mathieu Luisier vom Institut für Integrierte System (IIS) an der ETH Zürich und Nicola Marzari von der EPFL nutzten für ihre Simulationen die Forschungsergebnisse, die Marzari und sein Team 2018 erzielt hatten: Aus einem Pool von über 100'000 Materialien extrahierten sie damals mit Hilfe von aufwendigen Simulationen auf «Piz Daint» 1825 vielversprechende Komponenten, aus denen zweidimensionale Materiallagen gewonnen werden könnten – dies 14 Jahre nach der Entdeckung von Graphen. Dabei wurde sich die Forschung erstmals bewusst, dass sie zweidimensionale Materialien herstellen kann.

Die Forscher haben nun von diesen über 1800 Materialien 100 Kandidaten ausgewählt, die aus einer Monoschicht von Atomen bestehen und sich für den Bau von hochskalierenden Feldeffekttransistoren (FETs) eignen könnten. Unter dem «ab initio»-​Mikroskop untersuchten sie deren Eigenschaften. Das heisst, sie haben auf dem CSCS-​Supercomputer «Piz Daint» zuerst die Dynamik der Moleküle, aus denen das Material besteht, einschliesslich deren Elektronenstruktur, berechnet. Diese Berechnungen kombinierten sie mit einem sogenannten Quantum Transport Simulator, um die möglichen Elektronen-​ oder Loch-​Stromflüsse durch die virtuell erzeugten Transistoren zu simulieren. Der genutzte Quantum Transport Simulator wurde von Mathieu Luisier zusammen mit einem weiteren ETH-​Forschungsteam entwickelt. Luisier und sein Team erhielten 2019 für das dem Simulator zugrundeliegende Verfahren den Gordon-​Bell-Preis.

Den optimalen Kandidaten finden

Entscheidend für den Transistor ist, dass die Stromflüsse von einer oder mehreren Steuerelektroden des Transistors, den Gate-​Kontakten, optimal kontrolliert werden können. Dank der ultradünnen Natur von zweidimensionalen Materialien – sie sind meist dünner als ein Nanometer –, kann ein einziger Gate-​Kontakt (single-​gate) den Fluss von Elektronen und Lochströmen modulieren, und einen Transistor komplett ein-​ und ausschalten.

«Obwohl alle 2-D Materialien diese Eigenschaft besitzen, eignen sich nicht alle für logische Anwendungen», betont Luisier, «nur solche die zwischen Valenzband und Leitungsband eine ausreichend grosse Bandlücke haben.» Die Materialien mit grosser Bandlücke verhindern sogenannte Tunneleffekte der Elektronen und somit die dadurch verursachten Leckströme – genau nach diesen Materialien suchten die Forscher in ihren Simulationen.

Ihr Ziel war, zweidimensionale Materialien zu finden, die sowohl als n-​Typ-Transistor (Elektron-​Transport) wie auch als p-​Typ-Transistor (Loch-​Transport) einen Strom liefern können, der stärker als drei Milliampere pro Mikrometer ist. Deren Kanallänge darf zudem bis zu fünf Nanometer winzig sein, ohne dass dies das Schaltverhalten beeinträchtigt. «Erst wenn diese Bedingungen erfüllt sind, können auf zweidimensionale Materialien basierende Transistoren die herkömmlichen Si-​FinFETs übertreffen», sagt Luisier.

Der Ball liegt bei den Experimentalforschern

Unter Berücksichtigung dieser Aspekte identifizierten die Forscher 13 mögliche zweidimensionale Materialien, mit denen solche Transistoren gebaut werden und die zugleich die Fortsetzung des Mooreschen Skalierungsgesetzes gewährleisten könnten. Einige der gefundenen Materialien sind bereits bekannt, zum Beispiel Schwarzer Phosphor oder HfS2, ein sogenanntes Übergangsmetall-​Dichalkogenid. Andere seien jedoch neu, betont der Forscher. Zu ihnen zählen Verbindungen wie Ag2N6 oder O6Sb4.

«Wir haben eine der grössten Datenbanken von Transistormaterialien kreiert. Mit diesen Ergebnissen hoffen wir, dass wir Experimentatoren, die mit 2-D Materialien arbeiten, dazu motivieren neue Kristalle zu exfolieren, um damit die künftigen logischen Schalter herzustellen», sagt der ETH-​Professsor.

Die Forschungsgruppen von Luisier und Marzari arbeiten eng im National Centre of Competence in Research (NCCR) «Marvel» zusammen und publizierten ihre jüngsten gemeinsamen Ergebnisse in der Fachzeitschrift ACS Nano. Sie sind überzeugt, dass Transistoren, die auf diesen neuen Materialien basieren, jene aus Silizium oder aus den derzeit populären Übergangsmetall-​Dichalkogeniden ablösen. Somit könnte die Gültigkeit des Mooreschen Gesetz weiter aufrechterhalten werden.

Originalveröffentlichung:
Klinkert C, Szabo A, Stieger C, Campi D, Marzari N & Luisier M; "2-D Materials for Ultra-​Scaled Field-​Effect Transistors: Hundred Candidates under the Ab Initio Microscope"; ACS Nano; 2020

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • Feldeffekttransistoren
  • Bandlücke

Mehr über ETH Zürich

  • News

    Mechanismus entdeckt, wie das Coronavirus die Zelle kapert

    Forscher der ETH Zürich und der Universität Bern haben einen Mechanismus entdeckt, wie das Coronavirus menschliche Zellen manipuliert, um seine eigene Vermehrung sicherzustellen. Dieses Wissen wird helfen, Medikamente und Impfstoffe gegen das Coronavirus zu entwickeln. Wie ein Pirat, der ei ... mehr

    Wie sich Bakterien an Fasern im Darm festhalten

    Forscher haben den molekularen Mechanismus aufgeklärt, mit dem sich Bakterien an Zellulosefasern im Darm anheften. Indem sie auf zwei verschiedene Arten an die Fasern binden, können sie den Scherkräften im menschlichen Körper standhalten. Das Forschungsteam der Universität Basel und der ETH ... mehr

    Elektronenbewegungen in Flüssigkeit mit Superzeitlupe gemessen

    In Molekülen können sich Elektronen bewegen, zum Beispiel wenn sie von aussen angeregt werden oder im Verlauf einer chemischen Reaktion. Erstmals ist es nun Wissenschaftlern gelungen, die ersten paar Dutzend Attosekunden dieser Elektronenbewegung in einer Flüssigkeit zu untersuchen. Um zu ... mehr

  • q&more Artikel

    Analytik in Picoliter-Volumina

    Zeit, Kosten und personellen Aufwand senken – viele grundlegende sowie angewandte analytische und diagnostische Herausforderungen können mit Lab-on-a-Chip-Systemen realisiert werden. Sie erlauben die Verringerung von Probenmengen, die Automatisierung und Parallelisierung von Arbeitsschritte ... mehr

    Investition für die Zukunft

    Dies ist das ganz besondere Anliegen und gleichzeitig der Anspruch von Frau Dr. Irmgard Werner, die als Dozentin an der ETH Zürich jährlich rund 65 Pharmaziestudenten im 5. Semester im Praktikum „pharmazeutische Analytik“ betreut. Mit Freude und Begeisterung für ihr Fach stellt sie sich imm ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Petra S. Dittrich

    Jg. 1974, ist Außerordentliche Professorin am Department Biosysteme der ETH Zürich. Sie studierte Chemie an der Universität Bielefeld und Universidad de Salamanca (Spanien). Nach der Promotion am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen war sie Postdoktorandin am ISAS In ... mehr

    Dr. Felix Kurth

    Jg. 1982, studierte Bioingenieurwesen an der Technischen Universität Dortmund und an der Königlich Technischen Hochschule in Stockholm. Für seine Promotion, die er 2015 von der Eidgenössisch Technischen Hochschule in Zürich erlangte, entwickelte er Lab-on-a-Chip Systeme und Methoden zur Qua ... mehr

    Lucas Armbrecht

    Jg. 1989, studierte Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs Universität in Freiburg im Breisgau. Während seines Masterstudiums konzentrierte er sich auf die Bereiche Sensorik und Lab-on-a-Chip. Seit dem Juni 2015 forscht er in der Arbeitsgruppe für Bioanalytik im Bereich Einzelzellanalytik ... mehr

Mehr über Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von:

 

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.