科学家模拟出13种用于替代硅FinFET的材料

瑞士科学家对像石墨烯这样的二维材料进行了计算研究，以确定哪种材料能制造出最好的晶体管。

从100种候选化合物中，有13种显示有机会，在某些情况下，比预期的硅FinFET的效果更好。

来自苏黎世ETH和EPFL的研究小组在Piz-Daint超级计算机上结合了密度泛函理论和量子输运理论，对栅极长度从5nm到15nm的器件进行了电流-电压特性建模。

这100种候选材料是2018年EPFL团队从2018年的工作中挑选出来的，当时Piz-Daint筛选了10万份材料，找到了1825份，从中可以获得二维材料层。

从1800种到100种的筛选是基于哪个单层原子最有可能形成FET。

Piz-Daint首先用密度泛函理论（DFT）确定了材料的原子结构。据Piz-Daint所在的瑞士国家计算机中心称：“他们将这些计算与所谓的量子传输求解器结合起来，模拟电子和空穴电流流过虚拟生成的晶体管。”。它使用了由苏黎世ETH的Mathieu Luisier和他的团队开发的量子传输模拟器，其基本方法在2019年获得了戈登·贝尔奖。

由于很薄（通常<1nm），二维材料可以通过一侧的单个表面栅极进行导电控制。

“虽然所有的二维材料都有这种特性，但并不是所有的材料都适合逻辑应用，只有那些在价带和导带之间有足够大的带隙才可以。”

如果没有足够大的带隙，隧道效应将导致较大的漏电流。

该项目标是寻找能够提供3mA/μm的2d材料，既可以作为n型晶体管（电子传输）也可以作为p型晶体管（空穴传输）使用，通道短至5nm，同时不会影响开关行为。

“只有在满足这些条件的情况下，基于二维材料的晶体管才能超越传统的硅Finfet，”Luisier说。

在符合标准的13种材料中，有些已经为人所知，比如“黑”磷和铪二硫化物。另一些则是全新的，根据Luisier的说法：例如Ag2N6或O6Sb4。

“由于我们的模拟，我们已经建立了最大的晶体管材料数据库之一。有了这些结果，我们希望能激励从事二维材料研究的实验人员去选择新材料，创造下一代逻辑开关。”Luisier说。

这项工作发表在ACS Nano杂志上，题为“超尺度场效应晶体管的材料：显微镜下的100个候选材料”。

根据500强排行榜，以瑞士山命名的Piz-Daint是世界上第十大超级计算机，也是欧洲第三大最强大的计算机（仅次于意大利的两台）。英国的气象局电脑在榜单上排名第32位，之前还有两台来自意大利，两台来自法国，一台来自德国。目前世界上速度最快的计算机是基于Arm的超级计算机Fugaku。