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 Forschenden 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.

Unter Berücksichtigung dieser Aspekte identifizierten die Forschenden 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.