图A：由黑磷2D材料的厚度变化形成的异质结的光学图像和能带图。图B：隧道场效应晶体管和取决于厚度的带隙的示意图。C：特性转移曲线显示出陡峭的亚阈值摆幅和高导通电流。图片：韩国科学技术高等研究院（KAIST）
研究人员报告了一种黑磷晶体管，可以用作替代的超低功率开关。KAIST物理系的Sungjae Cho教授领导的研究团队开发了可控厚度的黑磷隧道场效应晶体管（TFET），相对于互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管该晶体管的开关功耗比传统的低10倍，待机功耗也比传统的低10000倍。
该研究小组表示，他们开发的快速和低功耗的晶体管，可以取代传统的CMOS晶体管。特别是，他们解决了降低TFET操作速度和性能的问题，为扩展摩尔定律铺平了道路。
在上个月发表在《自然纳米技术》上的这项研究中，Cho教授的团队报告了一种天然异质结TFET，其黑磷层厚度可随空间变化而没有界面问题。他们在4-5dec的电流范围内实现了创纪录的低平均亚阈值摆幅值，并实现了创纪录的高通态电流，这使得TFET能够以比传统CMOS晶体管更高的速度运行，并且功耗更低。
黑磷异质结隧道场效应晶体管（BP NHJ-TFET）的光学图像和示意性结构。 （图a）完整的BP NHJ-TFET器件的光学图像（左）和单层黑鳞片（右）。橙色和绿色的多边形分别表示块状黑鳞（BP）和片状单层黑鳞（ML BP）。（b）完整BP NHJ TFET的结构示意图。
Cho教授说：“我们成功开发出第一个达到快速、低功耗开关基本标准的晶体管。我们新开发的TFET可以解决有关TFET性能下降的重大问题，从而取代CMOS晶体管。”
晶体管的不断缩小一直是当前信息技术成功发展的关键。然而，随着摩尔定律因功耗增加而达到极限，迫切需要开发新的替代晶体管设计。
在进一步缩小晶体管尺寸的同时，要降低开关和待机功耗，就必须克服亚阈值摆幅的热电子极限，该极限被定义为亚阈值范围内每十倍电流增加所需的电压。为了减少CMOS电路的开关和待机功率，降低晶体管的亚阈值摆幅至关重要。
然而，由于热载流子注入，CMOS晶体管存在60mV/dec的基本亚阈值摆幅极限。《国际设备和系统路线图》已经预测，在不久的将来，将需要采用CMOS以外的新材料制成的具有新几何形状的新器件，以应对缩小晶体管尺寸的挑战。特别是，由于可以将TFET的亚阈值摆幅大大降低到60mV/dec的热电子极限以下，因此建议将TFET作为CMOS晶体管的主要替代产品。TFET通过量子隧穿操作，这不会像CMOS晶体管的热注入那样限制亚阈值摆幅。
特别是，异质结TFET具有提供低亚阈值摆幅和高导通电流的巨大潜力。高导通电流对于晶体管的快速运行至关重要，因为将设备充电至导通状态需要花费较长时间且电流较低。与理论上的预期不同，由于异质结中的界面问题，以前开发的异质结TFET的导通状态电流比CMOS晶体管低100-100000倍（慢100-100000倍的运行速度）。这种低运行速度阻碍了用低功耗TFET替代CMOS晶体管。
Cho教授说：“就我们所知，我们已经首次展示了针对快速和超低功耗操作的TFET优化，这对于替代用于低功耗应用的CMOS晶体管至关重要。” 他说，他很高兴扩展摩尔定律，该定律最终可能会影响生活和社会的几乎各个方面。
閱讀更多 孜然實驗室 的文章
