新的平面晶体管超越了理论极限

一个由来自加利福尼亚大学和赖斯大学的研究人员组成的团队已经找到了一种方法来获得一个平板晶体管，以对抗场效应晶体管(FETs)的理论限制。 在他们发表在“自然”杂志上的论文中，该团队描述了他们的工作，以及为什么他们认为这可能导致消费设备具有更小的电子产品和更长的电池寿命。 与荷兰伊拉斯谟MC大学医学中心的Tomioka提供了一篇新闻和观点文章，讨论团队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费电子设备的材料和结构类型正在迅速达到一个阈值，在此阈值上必须进行权衡-更小的晶体管或更多的功率要求-这是因为FET的独特性质，缩短它们使用的信道需要更多的功率，在对数尺度上。 因此，继续使场效应管变得更小，使它们使用更少的功率意味着两件事，第一是必须找到不同的通道材料，一种允许在低电压下高开关电流的材料。 第二种方法是必须找到一种降低场效应管所需电压的方法。

研究人员已经在第一个要求上取得了进展，例如，用金属氧化物半导体材料建造FET。 事实证明，第二个挑战更大。 在这项最新的努力中，研究人员寻找隧道来减少电压需求，其结果很自然地被称为隧道场效应管或TFET-它们需要较少的电压，因为它们被覆盖（由栅极堆栈），并通过量子隧道传输电荷。 该团队建造的设备是基于二硫化钼和块状锗的二维双层-它表现出负微分电阻、隧穿标记和非常陡峭的亚阈值斜率（与快速开启相关的开关特性），低于经典的理论极限。

团队的工作代表了在解决未来电子设备的最小持续时间问题方面取得的实质性进展，但正如团队所指出的，还有很多工作要做。 他们表示乐观，进一步的改进将导致不仅更好的消费设备，而且微小的传感器，可以引入身体，以帮助监测健康。

硅基金属氧化物场效应晶体管的不断缩小，支撑了信息技术的快速发展。 然而，这种技术在进一步推广方面面临两大挑战。 首先，当沟道长度减小时，器件静电（晶体管的栅极控制其沟道电位的能力）被降低，以硅等常规块体材料为沟道。 最近，二维半导体材料已经成为取代硅的有前途的候选材料，因为它们可以保持优良的器件静电，即使在大大减少的通道长度。 第二个更严重的挑战是，由于开启特性的陡度或亚阈值摆动的基本热离子限制，电源电压不能再被与晶体管尺寸相同的因素缩小。为了使缩放能够在没有功率惩罚的情况下继续，需要一种不同的晶体管机制来获得亚热离子亚阈值摆动，例如带对带调谐。 在这里，我们演示了基于二维半导体的带-带隧道场效应晶体管(隧道-FETs)，它表现出陡峭的开关；亚阈值摆动是每十年至少3.9毫伏，在室温下40年的漏电流中，平均每十年31.1毫伏。 以高掺杂锗为源，原子薄的二硫化钼为沟道，构建了具有优良静电特性，无应变异质界面，低隧穿势垒，大隧穿面积的垂直异质结构.. 我们的原子薄和层状半导体通道隧道-FET(ATLAS-TFET)是唯一的平面结构隧道-FET，以实现亚热离子亚阈值摆动在40年的漏电流，如参考文献中所建议的。17，也是唯一的隧道-FET（在任何架构）实现这一点，在低电源电压为0.1伏特。 我们的器件是目前最薄通道的亚热离子晶体管，有潜力为超密集和低功耗集成电路以及超敏生物传感器和气体传感器开辟新的途径。