由韩国高级科学技术研究所 数字
黑磷2D材料厚度变化形成的异质结的光学图像和能带图
隧道场效应晶体管和厚度相关带隙的示意图
特性转移曲线显示陡峭的亚阈值摆幅和高导通电流
学分:韩国高级科学技术学院 研究人员报道了一种黑磷晶体管，可以用作替代的超低功率开关
由凯思特物理系的赵成杰教授领导的研究小组开发了一种厚度控制的黑磷隧道场效应晶体管(TFET)，它比传统的互补金属氧化物半导体晶体管的开关功耗低10倍，待机功耗低10000倍
研究小组表示，他们开发了快速低功耗晶体管，可以取代传统的互补金属氧化物半导体晶体管
特别是，他们解决了降低TFET运算速度和性能的问题，为扩展摩尔定律铺平了道路
在上个月《自然纳米技术》杂志的专题研究中，赵教授的团队报道了一种自然异质结TFET，它在空间上具有不同的黑磷层厚度，没有界面问题
他们实现了4-5倍电流的创纪录低平均亚阈值摆幅值和创纪录高的导通状态电流，这使得薄膜晶体管可以像传统的互补金属氧化物半导体晶体管一样以低得多的功耗快速工作
“我们成功开发了第一个晶体管，它达到了快速、低功耗开关的基本标准
我们新开发的薄膜晶体管可以取代互补金属氧化物半导体晶体管，解决薄膜晶体管性能下降的主要问题，”赵教授说
晶体管的不断缩小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，开发新的替代晶体管设计成为迫切需要
在进一步缩放晶体管的同时降低开关和待机功耗需要克服亚阈值摆幅的热离子限制，亚阈值摆幅被定义为在亚阈值区域中每增加十倍电流所需的电压
为了降低互补金属氧化物半导体电路的开关功率和待机功率，降低晶体管的亚阈值摆幅至关重要
然而，CMOS晶体管存在60 mV/dec的基本亚阈值摆幅极限，这源于热载流子注入
《国际器件和系统路线图》已经预测，在不久的将来，为了应对晶体管的规模挑战，将需要具有超越互补金属氧化物半导体的新材料的新器件几何结构
特别是，薄膜晶体管被认为是互补金属氧化物半导体晶体管的主要替代品，因为薄膜晶体管的亚阈值摆幅可以大大降低到60毫伏/平方厘米的热离子极限以下
薄膜晶体管通过量子隧穿来工作，它不像互补金属氧化物半导体晶体管的热注入那样限制亚阈值摆幅
特别是，异质结薄膜晶体管在提供低亚阈值摆幅和高导通状态电流方面有很大的希望
高导通电流对于晶体管的快速工作是必不可少的，因为用低电流将器件充电到导通状态需要更长的时间
与理论预期不同，由于异质结中的界面问题，先前开发的异质结薄膜晶体管显示出比互补金属氧化物半导体晶体管低100-100，000倍的导通状态电流(运行速度低100-100，000倍)
这种低工作速度阻碍了用低功率薄膜晶体管代替互补金属氧化物半导体晶体管
赵教授说:“据我们所知，我们首次展示了针对快速和超低功耗操作的TFET优化，这对于在低功耗应用中取代互补金属氧化物半导体晶体管至关重要
“他说他很高兴扩展摩尔定律，它可能最终影响生活和社会的几乎每个方面
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