Атомно-тонкий транзистор бросает вызов фундаментальным пределам

Новый туннельный полевой транзистор (TFET) с атомно-тонким токопроводящим каналом, который работает при сверхнизких напряжениях питания, был объявлен группой исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Университета Райса в Техасе. Новое устройство, которое сделано из полупроводниковых 2D-кристаллов и объемной подложки из германия, может переключаться при напряжении всего лишь 0,1 В. Оно может быть использовано в сверхплотных интегральных схемах с низким энергопотреблением и для создания сверхчувствительных био- и газовых датчиков.

Размер кремниевых полевых металл-оксидных транзисторов неуклонно уменьшался на протяжении последних нескольких десятилетий, но это не может продолжаться вечно без преодоления основных трудностей. Одна из них – переключение полевого транзистора ограничена теоретическим количеством термоионики, известным как подпороговый размах, который не может быть меньше, чем 60 мВ на декаду тока стока при комнатной температуре.

Теперь команда исследователей во главе с Кауставом Банерджи (Kaustav Banerjee) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, разработала TFET, сделанные из двух слоев дисульфида молибдена и объемного германия, которые имеет очень крутой подпороговый размах (31,1 мВ на декаду тока для более четырех декад тока стока при комнатной температуре). Это делает их одной из лучших комбинаций материалов для переключателей, которые могут работать с напряжениями питания всего лишь 0,1 В. Это означает, что они требуют на 90% меньше энергии для запуска по сравнению с обычными полевыми транзисторами.

Исследователи сделали свое устройство с помощью высоколегированного германия в качестве электрода истока и атомно-тонкого сульфида молибдена (всего в 1,3 нм толщиной) в качестве канала. Результирующая вертикальная гетероструктура имеет свободную от деформации поверхность раздела, низкий барьер для перехода электронов через туннель и большую площадь туннелирования.

«Наш атомарный со слоистым полупроводниковым каналом TFET (или ATLAS-TFET) является единственной плоской архитектурой TFET, в которой удалось добиться субтермионного подпорогового размаха для четырех декад тока стока, и единственной для любой архитектуры, в которой можно переключаться с помощью ультранизкого напряжение сток-исток 0,1 В, - говорят исследователи. - И в настоящее время является субтермионным транзистором с самым тонким каналом, когда-либо сделанным».

Международный технологический перспективный план для полупроводников (ITRS) говорит, что средний подпороговый размах должен быть ниже, чем 60 мВ на декаду в пределах четырех декад тока. Единственный экспериментальный TFET, сделанный до сих пор и достигший такой метрики, базируется на одномерных структурах (нанопроволок), которые трудно производить. «Наш АТЛАС-TFET является первым TFET с архитектурой в одной плоскости, удовлетворяющий требованиям ITRS и, таким образом, может быть использован в разработке следующего поколения интегральной электроники и сверхчувствительных сенсоров со сверхнизким энергопотреблением», - сказал Банерджи и его коллеги.

АТЛАС-TFET достигает субтермионного подпорогового размаха