隨著電子元件的小型化日益增加，研究人員正為其帶來的副作用而苦苦掙扎：在用常規材料（例如硅）制成的納米級晶體管的情況下，會發生量子效應，從而削弱其功能。而這些量子效應之一是額外的泄漏電流，即“雜散”而不通過源極和漏極觸點之間提供的導體流動的電流。

根據摩爾定標定律規定，每單位面積集成電路的數量每12-18個月加倍，但由于有源元件的小型化帶來的挑戰越來越大，為此摩爾定律將在不久的將來達到極限。

寄以厚望的二維材料

但是，蘇黎世聯邦理工學院和洛桑聯邦理工學院洛桑分校的研究人員進行的一項新研究表明，可以使用新的二維（2-D）材料能解決此問題。 該研究小組由蘇黎世聯邦理工學院集成系統研究所（IIS）的Mathieu Luisier和洛桑聯邦理工學院的Nicola Marzari領導，他們將Marzari及其團隊已經取得的研究結果用作其新模擬的基礎。

早在石墨烯被發現14年后的2018年，它們被首次明確表明可以用來生產二維材料，而他們也在“ Piz Daint”計算機上上進行了復雜的模擬，篩選出超過100，000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，可能適用于超規模場效應晶體管（FET）的構造。他們現在在“從頭開始”的顯微鏡下研究了其性能。換句話說，他們使用CSCS超級計算機“ Piz Daint”首先使用密度泛函理論（DFT）確定這些材料的原子結構。

然后，他們將這些計算與所謂的量子傳輸求解器結合起來，以模擬流過虛擬產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路易斯·路易斯（Luisier）與另一個ETH研究團隊共同開發的，其基本方法于2019年獲得了戈登·貝爾獎。

尋找最佳的2D材料候選者

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實現最佳控制。由于二維材料（通常比納米薄）的超薄特性，單個柵極觸點可以調節電子流和空穴電流，從而完全打開和關閉晶體管。 具有由2-D材料制成的溝道的單柵FET的結構。

圍繞它布置的是已研究過的2D材料的選擇。（Mathieu Luisier / ETHZürich） Luisier強調：“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用，只有那些在價帶和導帶之間具有足夠帶隙的材料才合適。” 具有合適帶隙的材料可防止所謂的電子隧穿效應，從而防止電子所引起的泄漏電流。研究人員正是在模擬中尋找這些材料。

他們的目標是找到可以提供每微米大于3毫安電流的2-D材料，既可以作為n型晶體管（電子傳輸），也可以作為p型晶體管（空穴傳輸），并且其溝道長度可以小到5納米，而不會影響開關性能。“只有滿足這些條件，基于二維材料的晶體管才能超越傳統的Si FinFET”，Luisier說。 考慮到這些方面，研究人員確定了13種可能的2D材料，可以用它們來構建未來的晶體管，并且還可以使摩爾定律得以延續。其中一些材料是已知的，例如黑磷或HfS2，但Luisier強調其他材料是全新的，例如Ag2N6或O6Sb4等化合物。

“由于我們的模擬，我們創建了最大的晶體管材料數據庫之一。有了這些結果，我們希望能夠激發使用2-D材料的實驗人員去角質新晶體并創建下一代邏輯開關。” ETH教授說。由Luisier和Marzari領導的研究小組在美國國家研究能力中心（NCCR）MARVEL中密切合作，現已在ACS Nano雜志上發表了最新研究成果 。他們有信心基于這些新材料的晶體管可以替代由硅或目前流行的過渡金屬二鹵化金屬制成的晶體管。

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