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Nuovi materiali e architetture di dispositivi stanno espandendo lo spazio di progettazione da esplorare per CMOS futuri e le tecnologie nano-elettroniche. Architetture dei dispositivi single gate SOI, double gate SOI, FinFET, MuGFET, gate all around e nanowire sono oggetto di indagine come possibili successori del MOSFET planare. Il ridimensionamento di dispositivi CMOS nel regime nanometrici porta a un aumento dei costi di processo. A questo proposito, il campo della Elettronica Computazionale sta diventando sempre più importante perché la simulazione dei dispositivi offre possibilità unica di sperimentare nuovi dispositivi candidati che non sono stati ancora fabbricati e dà anche una visione unica del comportamento del dispositivo. La progettazione e l'ottimizzazione di nano-transistor che sfruttano queste nuove opzioni richiedono modelli di uso generale per descrivere i fenomeni elettrostatici e dei trasporti su scala nanometrica in una varietà senza precedenti di materiali, con un grado ragionevolmente prevedibile di precisione e con tempo di calcolo a prezzi accessibili. Il modello Drift-Diffusion disponibile in strumenti TCAD tradizionali è attualmente inadeguata per lo scopo.
L’obbiettivo di questo lavoro è lo studio delle proprietà elettroniche di materiali bidimensionali partendo dalla struttura a bande e l'uso di questi materiali per la modellazione e simulazione di transistori per applicazioni digitali nel regime di trasporto balistico.
Il CAD utilizzato per la simulazione di questo nuovi transistor è NanoTCAD Vides, sviluppato presso l'Università di Pisa.
NanoTCAD Vides è un modulo python, che integra le subroutine C e Fortran già sviluppati nella versione storica del simulatore NanoTCAD Vides , che è in grado di simulare dispositivi nanometrici attraverso la soluzione autoconsistente dell’equazione di Poisson e le equazioni di Schroedinger , mediante il formalismo delle Non-Equilibrium Green’s Function (NEGF).
Da un punto di vista numerico, il codice è basato sul metodo con uno schema predittore / correttore Newton - Raphson ( NR ). In particolare, le equazioni Schroedinger / NEGF sono risolti all'inizio di ogni ciclo di NR , partendo da un potenziale Φ iniziale, e la densità di carica nel canale viene mantenuta costante fino converge ciclo NR ( cioè la correzione sul potenziale è inferiore un valore predeterminato ) . L'algoritmo viene ripetuto ciclicamente fino a quando la norma della differenza tra il potenziale calcolata al termine di due cicli successivi NR è più piccolo di un valore predeterminato.
All’interno dell’ambiente NanoTCAD Vides sono già state definite delle classi con rispettivi attributi e funzioni che permettono di specificare la struttura del dispositivo e i parametri geometrici e elettrici.
In questo lavoro di tesi ho deciso di utilizzare una architettura double-gate, con un terminale di Source uno di Drain, con un canale costituito da un materiale bidimensionale separato dai terminali di gate con ossido di silicio. La categoria dei materiali bidimensionali per applicazioni nei dispositivi elettronici si sta espandendo sempre di più. La scelta dei materiali utilizzati per la simulazione si è concentrata nella classe dei TMD (Transition Metal Dichalcogenides) e il Silicene.
Per quanto riguarda i TMD ho utilizzato l’MoS2, MoSe2, WS2.
La motivazione di considerare questi materiali è dovuta al fatto che sono già state definite delle classi per questi materiali all’interno di Nano TCAD ViDES.
Una volta terminata la simulazione per ogni dispositivo con materiale del canale diverso si procede con la fase di post processing nella quale vengono calcolate le cifre di merito del dispositivo che servono a determinarne le prestazioni e vengono confrontate con i valori che ogni anno pubblica l’ITRS.
L’ITRS( International Technology Roadmap for Semiconductors ) è un insieme di documenti che viene redatto da esperti delle industrie di semiconduttori e vengono liberamente pubblicate in rete.
I documenti rappresentano il miglior parere sulle direttive di ricerca nei settori della tecnologia dei semiconduttori con linee temporali fino a circa 15 anni nel futuro.
Le simulazioni sono state fatte utilizzando i parametri geometrici ed elettrici dei nodi 2020, 2023 e 2026 dell’ITRS.
I valori delle cifre di merito calcolate rientrano nei limiti stabiliti dall’ITRS per i nodi sopra citati. Quindi l’utilizzo di questi materiali all’interno di una struttura double gate può risultare un’ottima soluzione per i dispositivi del prossimo futuro.
La tesi è suddivisa in quattro capitoli. Il primo capitolo fa un excursus sullo scaling del MOS e i problemi che si incontrano riducendo il dispositivo a dimensioni nanometriche. Inoltre viene fatta una panoramica dei materiali bidimensionali introducendo le caratteristiche principali.
Il secondo capitolo è dedicato completamente ai materiali TMD descrivendo le proprietà più importanti dal punto di vista elettronico e inoltre descrive brevemente due processi di sintesi di questi materiali.
Il terzo capitolo introduce i concetti principali della formulazione delle funzioni di Green utilizzato nelle applicazioni del trasporto di elettroni in nanostrutture.
Il quarto capitolo è dedicato all’ambiente di simulazione Nano TCAD ViDES, viene descritto l’ambiente di sviluppo e le varie classi e funzioni necessarie per la simulazione di dispositivi. Inoltre spiega come calcolare le varie cifre di merito e i risultati sono stati raccolti in tabelle. Un ultimo paragrafo del quarto capitolo è riservato al Silicene.