在電子產(chǎn)品發(fā)展的最大挑戰(zhàn)之一是降低晶體管開關(guān)過程中的功率消耗。最近加利福尼亞大學(xué)圣巴拉巴拉分校(UCSB)與萊斯大學(xué)的研究人員合作研發(fā)出一種新的晶體管，開關(guān)電壓只有0.1V，與目前最先進(jìn)的硅晶體管（MOSFET）相比，功耗降低90%以上。該成果發(fā)表在《自然》期刊上。
自從20世紀(jì)70年代以來，MOSFET已經(jīng)日常電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)構(gòu)件。然而，隨著晶體管密度的不斷增加，小型化的MOSFET由于其導(dǎo)通特性的根本局限遇到了功耗挑戰(zhàn)。
加利福尼亞大學(xué)圣巴拉巴拉分校電氣和計(jì)算機(jī)工程教授Kaustav Banerjee解釋稱，“一個(gè)晶體管導(dǎo)通曲線的斜率由一個(gè)參數(shù)決定，稱為亞閾值擺幅，該值不能低于MOSFET中一定水平。”室溫下，使MOSFET電流變化十倍，柵極電壓最小需要變化60mV。從本質(zhì)上說，晶體管技術(shù)的現(xiàn)有狀態(tài)限制了數(shù)字電路的能量效率潛力。
Banerjeed教授的研究小組采取了新的方式來顛覆這個(gè)基本的限制。他們采用量子力學(xué)中的帶-帶隧穿現(xiàn)象設(shè)計(jì)一個(gè)隧道場效應(yīng)晶體管（TFET），亞閾值擺幅為10時(shí)，電壓變化低于60mV。
“我們調(diào)整了晶體管源極與信道的節(jié)點(diǎn)，以過濾出高能量電子，即使在關(guān)機(jī)狀態(tài)下也可以通過源極/信道屏障，從而使關(guān)態(tài)電流小到可以忽略不計(jì)。”Banerjee教授解釋。
由于受到功耗帶來的芯片成本上升和可靠性下降的影響，全球電子行業(yè)每年損失數(shù)十億美元。Banerjee小組因此開展該項(xiàng)研究工作。這意味著個(gè)人設(shè)備如手機(jī)、筆記本電腦的電池壽命更低，大型數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器功耗巨大。
傳統(tǒng)的半導(dǎo)體依賴硅或III-V族化合物半導(dǎo)體作為TFETs溝道的材料，使其具有一定的局限性，因?yàn)檫@些材料有高密度的表面狀態(tài)，增加了漏電流并降低亞閾值擺幅。
UCSB團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的TFET克服這一挑戰(zhàn)，最顯著是使用層狀的二維（2D）材料二硫化鉬（MoS2）。MoS2具有理想的表面，厚度僅為1.3nm，作為載流信道放置在一個(gè)高摻雜度的鍺（Ge）材料中，構(gòu)成器件源電極。所得垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)獨(dú)特的無應(yīng)變源極—信道節(jié)點(diǎn)，載流電子從Ge隧穿到MoS2中，只需穿過超薄（〜0.34nm）范德華帶隙間隙的低勢壘和一個(gè)大隧道區(qū)域。
Banerjee教授稱，“我們想法的關(guān)鍵是將3D和2D材料結(jié)合構(gòu)成一個(gè)獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了兩全其美。三維結(jié)構(gòu)的成熟摻雜技術(shù)與2D材料層超薄和質(zhì)樸的界面結(jié)合，獲得高效量子力學(xué)隧道屏障，該屏障可以很容易地通過門極調(diào)整。目前我們設(shè)計(jì)的是有史以來最薄的亞熱離子通道晶體管。”這種原子薄層狀半導(dǎo)體隧道場效應(yīng)晶體管（或ATLAS-TFET）是唯一的平面結(jié)構(gòu)TFET，能夠?qū)崿F(xiàn)亞熱離子亞閾值擺幅（室溫下30毫伏/十）漏電流變化超過四十倍，也是唯一一個(gè)在任何結(jié)構(gòu)中都能實(shí)現(xiàn)0.1V的超低漏源電壓。
該研究的合作者萊斯大學(xué)化學(xué)和生物分子工程Ajayan教授評論說，“這是一個(gè)顯著的例子，顯示二維原子層狀材料使器件達(dá)到采用常規(guī)材料無法實(shí)現(xiàn)的性能。這也許目前人們努力使用二維材料制備的一系列新設(shè)備的第一次突破。
“這項(xiàng)工作是尋求低壓邏輯晶體管過程的顯著進(jìn)步。在四個(gè)數(shù)量級上進(jìn)行亞熱操作令人印象深刻，是當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)。這項(xiàng)工作還有很長的路要走，但表明二維材料在實(shí)現(xiàn)長壽命、低壓設(shè)備的潛力。”普渡大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授馬克·倫德斯特倫評論說。
“我們已經(jīng)展示了如何實(shí)現(xiàn)滿足ITRS要求的最重要指標(biāo)：陡峭亞閾值擺幅。我們的晶體管可以用于許多低功耗的領(lǐng)域，包括將陡峭的亞閾值擺幅作為主要要求的領(lǐng)域，如生物傳感器、氣體傳感器。隨著性能的提高，該晶體管的應(yīng)用范圍可以進(jìn)一步擴(kuò)大。”
“這項(xiàng)工作是使二維材料更貼近實(shí)際應(yīng)用的電子產(chǎn)品中的重要一步。使用二維材料隧道晶體管最近才開始的，這給出了整個(gè)領(lǐng)域的又一有力的推動作用，進(jìn)一步提高這些設(shè)備的特性。”曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授康斯坦丁·諾沃肖洛夫博士評論說。諾沃肖洛夫博士因發(fā)現(xiàn)石墨烯，是2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)共同獲得者。
“當(dāng)我于2012年第一次聽到Banerjee的二維材料設(shè)計(jì)帶間隧穿晶體管的想法時(shí)，我認(rèn)識到了它在超低功耗電子產(chǎn)品的價(jià)值和巨大潛力。我很高興地看到他的目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。” AFOSR項(xiàng)目經(jīng)理、利哈伊大學(xué)電子工程系教授James Hwang評論說。（工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所 張慧）<
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