黑色磷隧道场效应晶体管作为超低功耗开关

 
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。 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。图片来源：韩国科学技术研究院(KAIST)的研究人员报告了一种黑磷晶体管，可用作替代的超低功率开关。由KAIST物理系的Sungjae Cho教授领导的研究团队开发了一种厚度可控的黑色磷隧道场效应晶体管(TFET)，该晶体管的开关功耗比传统的低10倍，待机功耗比传统功耗低10,000倍。互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管。
该研究小组表示，他们开发了可以替代传统CMOS晶体管的快速，低功耗晶体管。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，其黑磷层厚度在空间上变化，而没有界面问题。他们在4-5 dec的电流范围内达到了创纪录的低平均亚阈值摆幅值，并在通态电流上达到了创纪录的高水平，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。
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，就需要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。为了降低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。
但是，由于热载流子注入，CMOS晶体管存在60 mV / 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，将需要采用除CMOS以外的新材料制成的新设备几何形状，以应对晶体管缩放方面的挑战。特别是，由于可以将TFET的亚阈值摆幅基本降低到60 mV / dec的热电子极限以下，因此已建议将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，因为将器件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100-100,000倍(慢100-100,000x的运行速度)。这种低运行速度阻碍了用低功率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。