一种功耗非常低的新型2D晶体管

世界各地的电子工程师都在努力提高设备的性能，同时降低它们的功耗。隧道场效应晶体管 (TFET) 是一类具有独特开关机制的实验性晶体管，可能是开发低功率电子产品的特别有前途的解决方案。

尽管具有潜力，但大多数基于硅和 III-V 异质结的 TFET 在某些操作模式下表现出低导通电流密度和开/关电流比。使用 2D 材料制造这些晶体管有助于改善静电控制，可能会增加其导通电流密度和开/关比。

宾夕法尼亚大学、中国科学院、美国国家标准与技术研究院和空军研究实验室的研究人员最近开发了基于由 2D 金属硒化物和 3D 硅形成的范德华异质结构的新型异质结隧道三极管。这些三极管发表在Nature Electronics上的一篇论文中，在导通电流密度和开/关比方面可能优于过去提出的其他 TFET。

“这篇论文是基于二维材料的隧道晶体管或开关器件的实现，”进行这项研究的研究人员之一 Deep Jariwala 告诉 TechXplore。“这是一个众所周知的想法，十年来许多人一直在努力研究和解决。问题一直是设备的性能，以形成强有力的案例。”

为了提高隧道开关器件在 ON/OFF 电流比、亚阈值摆幅和 ON 电流密度方面的性能，一些研究试图开发仅使用硅和 III-V 半导体或 2D 半导体的器件。虽然其中一些提议的设备比其他设备表现更好，但它们的性能似乎在至少一个相关方面受到损害。

“通过我们的工作，我们已经证明，当 2D InSe 或 WSe 2与硅结合时，上述器件的所有三个主要性能特征都可以同时得到改善，”Jariwala 解释说。

为了制造异质结隧道三极管，Jariwala 和他的同事将 InSe 晶体压印到了重度 p 掺杂的硅片上。随后，他们使用光刻法（一种印刷方法）创建了触点，沉积了顶栅电介质，并图案化了栅电极。

“我们的栅极可调隧道三极管的一个关键优势是它们基于硅，这是所有微处理器的底层材料，”Jariwala 说。“此外，它们具有一些最陡峭的亚阈值摆幅、开/关电流比和隧道器件的开电流密度，使它们成为基于隧道现象的最节能和最有效的开关。”

在最初的测试中，研究人员创建的三极管在四个十年的漏极电流中达到了低至 6.4 mV 十倍频-1的亚阈值斜率和 34.0 毫伏十倍频 -1 的平均亚阈值斜率。值得注意的是，它们还表现出大约 10 6的电流开/关比和 0.3 µA µm –1的导通电流密度，漏极偏压为 –1 V。

Jariwala 说：“我们展示了 InSe 作为一种出色的 2D 半导体与良好的旧硅相结合，可以实现一些最节能的开关设备。” “这一发现的可能意义是巨大的，因为能源效率（而不是摩尔定律）是微电子设备级创新的关键要求/需要。”

Jariwala 及其同事介绍的异质结隧道三极管可以为实现性能更好的低功耗电子设备铺平道路。原则上，考虑到基于 InSe 的 2D 材料可以直接在硅上生长，他们的设计也可以扩大到晶圆。

“在我们接下来的研究中，我们计划扩大材料生长以使其更实用，并缩小设备尺寸以进一步提高能，”Jariwala 补充道。“在晶圆上大面积展示材料生长将是我们希望在明年实现的一个重要里程碑。”

编辑：黄飞