Транзистор с 2D-каналом преодолевает фундаментальное ограничение электроники

Одним из главных ориентиров, направлявших эволюцию электроники, всегда было стремление уменьшить энергию, расходуемую транзистором при переключении. В работе, о которой недавно сообщил журнал Nature, инженеры Калифорнийского университета (UC Santa Barbara) и хьюстонского Университета Райса, продемонстрировали новый транзистор с рабочим напряжением всего 0,1 В и сниженным более, чем на 90% рассеянием энергии (по сравнению с наиболее совершенными МОП-транзисторами).

«Скорость включения транзистора характеризуется параметром, известным как подпороговый размах напряжения (subthreshold swing), который в МОП-транзисторах не может быть уменьшен ниже определённого уровня», – пояснил профессор UC Santa Barbara Каустав Банерджи (Kaustav Banerjee). Для того, чтобы изменить ток на порядок при комнатной температуре требуется минимальное изменение напряжения на затворе 60 мВ. Таким образом, нынешнее состояние транзисторных технологий принципиально ограничивает возможности повышения эффективности цифровых схем.

Для преодоления данного фундаментального предела группа Банерджи использовала квантовомеханическое явление межзонного туннелирования (band-to-band tunneling). Разработанный ими туннельный полевой транзистор (tunnel field effect transistor, TFET) имеет при комнатной температуре подпороговый размах напряжения ~30 мВ на порядок на протяжении четырёх декад тока стока.

Добиться этого удалось благодаря использованию в качестве канала дисульфида молибдена – 2D-материала с практически идеальной поверхностью и толщиной всего 1,3 нм. Он расположен на электроде источника, изготовленном из высоколегированного германия. Полученная вертикальная гетероструктура обеспечивает уникальный переход между источником и каналом: свободный от напряжений, с низким барьером для прохождения электронов через узкий (~0,34 нм) ван-дер-ваальсов зазор и большой областью туннелирования.

Первооткрыватель графена, Нобелевский лауреат Константин Новоселов, назвал эту работу важным шагом, приближающим 2D-материалы к реальному применению в электронике. «Использовать 2D-материалы в туннельных транзисторах начали совсем недавно, и эта статья даёт ещё один мощный импульс к дальнейшему улучшению характеристик таких устройств», – заявил он.