Разработан квантово-туннельный полевой транзистор

Чтобы устранить это ключевое препятствие, исследовательская группа из Гонконгского политехнического университета (PolyU) разработала новый туннельный полевой транзистор (ТПТ) с использованием двумерных (2D) наноматериалов. Это открытие приближает долгожданную экспериментальную технологию к коммерческой реализации, предлагая фундаментальный строительный блок для энергоэффективных вычислений и чипов искусственного интеллекта (ИИ) следующего поколения.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

В Международной дорожной карте по устройствам и системам (International Roadmap for Devices and Systems, IRDS) в качестве наиболее перспективной альтернативы полевым МОП-транзисторам названы транзисторы на основе туннельного эффекта». Благодаря замене термоэлектронной эмиссии на квантовое туннелирование наш двумерный гетероструктурный транзистор преодолевает границу в 60 мВ на декаду⁻¹, превосходя стандартный предел для полевых МОП-транзисторов. Представленный транзистор  открывает путь к сверхмаломощным высокопроизводительным интегральным схемам, необходимым для новых чипов искусственного интеллекта и передовых полупроводниковых технологий. Чтобы устранить ограничения в производительности предыдущих разработок в области транзистора на полевых транзисторах, команда исследователей создала ультратонкую гетероструктуру из чередующихся слоев двумерного висмута (Bi) и селенида индия (InSe) с помощью метода импульсного лазерного осаждения (ИЛО). Осуществляя точный контроль над структурой слоя на наноуровне, полуметаллический висмут обычно превращается в полупроводник в 2D-форме, создавая идеальное выравнивание энергетических зон для эффективного туннелирования носителей заряда в InSe с помощью механизма квантового туннелирования.

В результате в TFET на основе Bi/InSe значения SS оказались значительно ниже термоэлектронного предела в 60 мВ на декаду⁻¹ при шести порядках величины переключения тока. Для работы устройства при комнатной температуре на стандартных кремниевых подложках сантиметрового масштаба требовался диапазон напряжения на затворе всего в 160 мВ — намного меньше, чем 800 мВ, необходимых для современных полевых МОП-транзисторов.

Что особенно важно, это устройство решило давнюю проблему экспериментальных транзисторов на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом, обеспечив высокий выходной ток до нескольких микроампер на микрометр (мкА мкм⁻¹) и исключительно высокое соотношение токов включения и выключения. Высокий выходной ток необходим для управления несколькими последующими логическими элементами (разветвление), снижения задержки в цепи и обеспечения совместимости с существующими интегральными микросхемами и даже с микросхемами нового поколения.