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Nuovi dispositivi e tecnologie emergenti

Per mantenere anche in futuro il tasso di crescita dell’industria elettronica tipico degli ultimi decenni, sono necessari nuovi materiali, nuove tecnologie e nuovi dispositivi per sostituire la tecnologia CMOS standard in silicio, che è stata il motore dei circuiti digitali per lungo tempo, e che si sta ora avvicinando ai suoi limiti di scalabilità. I progetti descritti in questa sezione, portati avanti all’interno di programmi di ricerca europei ed in cooperazione con i principali enti industriali e di ricerca europei, operano in questa direzione.

 

Dispositivi nanoelettronici basati sul carbonio

Il carbonio nelle sue varie forme (p.e., strato monoatomico bidimensionale noto come grafene, oppure nanotubi di carbonio) è considerato uno dei materiali più promettenti per sostituire il silicio nei dispositivi nanoelettronici ad alta velocità, a causa delle sue eccellenti proprietà elettroniche e termiche. Tuttavia, prima di raggiungere tale obiettivo, si devono risolvere diversi problemi riguardanti non soltanto gli aspetti tecnologici, ma anche l’architettura e l’ottimizzazione del dispositivo. Questo progetto di ricerca è focalizzato sullo studio di dispositivi in carbonio di nuova concezione e sulla comprensione delle loro proprietà fisiche, tramite l’utilizzo di strumenti di simulazione sviluppati internamente.

 

Transistori in semiconduttori III-V

Secondo l’International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), un consorzio dei maggiori enti di ricerca ed industriali nel campo dei semiconduttori, avente il compito di identificare le principali necessità dell’industria dei semiconduttori nei prossimi anni, i semiconduttori III-V (p.e., l’InGaAs) sostituiranno il silicio come materiale di canale dei transistori n-MOS dei circuiti CMOS intorno all’anno 2018. Il motivo è legato all’alta velocità degli elettroni tipica di tali materiali. Tuttavia, molti problemi restano ancora aperti: tra questi, le alte correnti di perdita ed il gran numero di trappole. La modellistica è un aspetto essenziale per migliorare la comprensione del dispositivo ed esplorare le varie opzioni. Questo progetto di ricerca punta allo sviluppo di adeguati strumenti di simulazione a carattere fisico per questi dispositivi, ed al loro uso nel processo di ottimizzazione.

 

Transistori ad effetto tunnel

Al fine di ridurre la tensione di alimentazione dei circuiti CMOS e ridurre quindi la potenza dissipata senza degrado della velocità, sono richiesti transistori con bassa tensione di soglia ed alta pendenza della corrente sotto soglia. I transistori ad effetto tunnel (TFET) sono una delle possibilità aperte. Tuttavia, le realizzazione pratiche dei TFET finora hanno mostrato basse correnti nello stato ON e pendenze sotto soglia insufficienti. La soluzione del problema richiede analisi approfondite basate su modelli fisici idonei, e l’identificazione di nuove strutture di dispositivo al fine di ottimizzarne le caratteristiche in corrente.

 

Memorie a cambiamento di fase (PCM)

Le memorie a cambiamento di fase sono state studiate intensamente negli ultimi anni e sono al momento attuale (2014) nella fase preliminare di produzione. Materiali PCM, come ad esempio i calcogenuri, noti fino dai primi anni 60, mostrano una transizione reversibile fra lo stato cristallino e quallo amorfo, con una concomitante e sostanziale variazione delle proprietà ottiche e della resistività elettrica. La grande differenza nella resistività rende i calcogenuri ottimi candidati per la produzione di memorie a stato solido non volatili. Alcuni tipi di calcogenuri in fase amorfa mostrano un comportamento “ovonico”, caratterizzato da una tensione di soglia e da un ramo a resistenza differenziale negativa nella caratteristica I(V). Nonostante che siano state proposte numerose interpretazioni del fenomeno, manca ancora una teoria fisica completa di esso. L’argomento è oggetto di intensi studi in collaborazione con aziende “leader” del settore.