Fysieke grenzen van toekomstige halfgeleiders beter bekend

Onderzoekers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) zijn meer te weten gekomen over de fysieke grenzen van toekomstige halfgeleiders. Met behulp van geavanceerde kwantumsimulaties is vastgesteld hoe ver transistoren nog kunnen worden verkleind voordat quantumtunneling de werking fundamenteel verstoort.

De halfgeleiderindustrie blijft transistoren verkleinen om meer rekenkracht en een lager energieverbruik mogelijk te maken. Naarmate componenten echter afmetingen van slechts enkele nanometers bereiken, gaan quantummechanische effecten een steeds grotere rol spelen. Een van de belangrijkste uitdagingen is quantumtunneling, waarbij elektronen door barrières bewegen die volgens de klassieke natuurkunde ondoordringbaar zouden moeten zijn. Hierdoor ontstaan lekstromen die het schakelen van transistoren bemoeilijken.

Atomair niveau

Om deze limieten beter te begrijpen ontwikkelde het KAIST-team een simulatiemethode waarmee de onderzoekers op atomair niveau konden analyseren hoe elektronen zich gedragen op de snijvlakken tussen metalen contacten en halfgeleidermaterialen.

Als testcase gebruikten zij transistorstructuren op basis van monolaag molybdeendisulfide (MoS₂), een halfgeleidermateriaal dat wordt beschouwd als een veelbelovende kandidaat als het aankomt op toekomstige chipgeneraties. De simulaties maakten zichtbaar hoe diep elektronen vanuit de contacten het kanaal binnendringen en wanneer tunneling de controle over de stroomoverdracht begint te ondermijnen.

Volgens de onderzoekers ontstaat bij kanaallengtes onder ongeveer tien nanometer een overgang waarbij directe tunneling een dominante rol gaat spelen. Daarmee ontstaat een fundamentele grens voor verdere schaalverkleining van conventionele transistorarchitecturen. Tegelijkertijd biedt het onderzoek chipontwerpers een nieuwe meetmethode om contactweerstanden en schaalbaarheidslimieten van toekomstige componenten nauwkeuriger te voorspellen.