新的平面晶體管超越了理論極限

一個(gè)由來(lái)自加利福尼亞大學(xué)和賴斯大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了一種方法來(lái)獲得一個(gè)平板晶體管，以對(duì)抗場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETs)的理論限制。 在他們發(fā)表在“自然”雜志上的論文中，該團(tuán)隊(duì)描述了他們的工作，以及為什么他們認(rèn)為這可能導(dǎo)致消費(fèi)設(shè)備具有更小的電子產(chǎn)品和更長(zhǎng)的電池壽命。 與荷蘭伊拉斯謨MC大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的Tomioka提供了一篇新聞和觀點(diǎn)文章，討論團(tuán)隊(duì)在同一期刊上所做的工作。

正如Tomioka指出的，目前用于制造小型消費(fèi)電子設(shè)備的材料和結(jié)構(gòu)類型正在迅速達(dá)到一個(gè)閾值，在此閾值上必須進(jìn)行權(quán)衡-更小的晶體管或更多的功率要求-這是因?yàn)镕ET的獨(dú)特性質(zhì)，縮短它們使用的信道需要更多的功率，在對(duì)數(shù)尺度上。 因此，繼續(xù)使場(chǎng)效應(yīng)管變得更小，使它們使用更少的功率意味著兩件事，第一是必須找到不同的通道材料，一種允許在低電壓下高開關(guān)電流的材料。 第二種方法是必須找到一種降低場(chǎng)效應(yīng)管所需電壓的方法。

研究人員已經(jīng)在第一個(gè)要求上取得了進(jìn)展，例如，用金屬氧化物半導(dǎo)體材料建造FET。 事實(shí)證明，第二個(gè)挑戰(zhàn)更大。 在這項(xiàng)最新的努力中，研究人員尋找隧道來(lái)減少電壓需求，其結(jié)果很自然地被稱為隧道場(chǎng)效應(yīng)管或TFET-它們需要較少的電壓，因?yàn)樗鼈儽桓采w（由柵極堆棧），并通過(guò)量子隧道傳輸電荷。 該團(tuán)隊(duì)建造的設(shè)備是基于二硫化鉬和塊狀鍺的二維雙層-它表現(xiàn)出負(fù)微分電阻、隧穿標(biāo)記和非常陡峭的亞閾值斜率（與快速開啟相關(guān)的開關(guān)特性），低于經(jīng)典的理論極限。

團(tuán)隊(duì)的工作代表了在解決未來(lái)電子設(shè)備的最小持續(xù)時(shí)間問(wèn)題方面取得的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但正如團(tuán)隊(duì)所指出的，還有很多工作要做。 他們表示樂觀，進(jìn)一步的改進(jìn)將導(dǎo)致不僅更好的消費(fèi)設(shè)備，而且微小的傳感器，可以引入身體，以幫助監(jiān)測(cè)健康。

硅基金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管的不斷縮小，支撐了信息技術(shù)的快速發(fā)展。 然而，這種技術(shù)在進(jìn)一步推廣方面面臨兩大挑戰(zhàn)。 首先，當(dāng)溝道長(zhǎng)度減小時(shí)，器件靜電（晶體管的柵極控制其溝道電位的能力）被降低，以硅等常規(guī)塊體材料為溝道。 最近，二維半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為取代硅的有前途的候選材料，因?yàn)樗鼈兛梢员３謨?yōu)良的器件靜電，即使在大大減少的通道長(zhǎng)度。 第二個(gè)更嚴(yán)重的挑戰(zhàn)是，由于開啟特性的陡度或亞閾值擺動(dòng)的基本熱離子限制，電源電壓不能再被與晶體管尺寸相同的因素縮小。為了使縮放能夠在沒有功率懲罰的情況下繼續(xù)，需要一種不同的晶體管機(jī)制來(lái)獲得亞熱離子亞閾值擺動(dòng)，例如帶對(duì)帶調(diào)諧。 在這里，我們演示了基于二維半導(dǎo)體的帶-帶隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管(隧道-FETs)，它表現(xiàn)出陡峭的開關(guān)；亞閾值擺動(dòng)是每十年至少3.9毫伏，在室溫下40年的漏電流中，平均每十年31.1毫伏。 以高摻雜鍺為源，原子薄的二硫化鉬為溝道，構(gòu)建了具有優(yōu)良靜電特性，無(wú)應(yīng)變異質(zhì)界面，低隧穿勢(shì)壘，大隧穿面積的垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu).. 我們的原子薄和層狀半導(dǎo)體通道隧道-FET(ATLAS-TFET)是唯一的平面結(jié)構(gòu)隧道-FET，以實(shí)現(xiàn)亞熱離子亞閾值擺動(dòng)在40年的漏電流，如參考文獻(xiàn)中所建議的。17，也是唯一的隧道-FET（在任何架構(gòu)）實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在低電源電壓為0.1伏特。 我們的器件是目前最薄通道的亞熱離子晶體管，有潛力為超密集和低功耗集成電路以及超敏生物傳感器和氣體傳感器開辟新的途徑。