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平面穿隧電晶體可實現0.1V的低電壓作業

上網時間: 2015年12月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:平面穿隧電晶體  二硫化鉬  電晶體  切換電壓  TFET 

美國加州聖巴巴拉大學(UC Santa Barbara)和萊斯大學(Rice University)的工程研究人員發現,採用二硫化鉬(MoS2)單原子層作為通道的電晶體設計,可望展現比最先進的矽電晶體更低至0.1V的切換電壓,而且還可降低高達90%的功耗。

這項研究已發表於最近一期的《自然》(Nature)期刊中。

UC Santa Barbara電子與電腦工程教授Kaustav Banerjee表示,電晶體導通的陡度特點是一種被稱為次閾值擺幅的參數,該參數在MOSFET時不能被降低到低於一定值。對於陡度為60mV/decade的MOSFET,通常會是數位電路總體能效的有效限制。

為了解決這些矽晶問題,研究團隊所打造的電晶體以鍺作為源級,並以能夠實現頻段對頻段穿隧的MoS2作為通道。該穿隧場效電晶體(TFET)擁有不到60mV/decade陡度的次閾值擺幅。

源極到通道的設計目的在於濾掉高能量電子,否則可能使其穿越源極/通道能量阻障層,甚至到達關斷狀態。研究人員表示,透過該設計保持關斷電流可被忽略不計。


根據UC Santa Barbara研究人員Jiahao Kang解釋,如圖中上圖是ATLAS-TFET的橫截面視圖,顯示鍺源極/基板、MoS2通道以及頻帶間(band-to-band)穿隧方向。下圖則是製造元件的視圖,顯示鍺源極/基板、原生GeOx層、MoS2通道以及其上的閘電介質。值得注意的是,源極與汲極的部份以及在MoS2周圍的鍺基板完全被電介質(SiO2)覆蓋,以避免影響閘電極。

在UC Santa Barbara,Banerjee的奈米電子研究實驗室(Nanoelectronics Research Lab)中還包括Deblina Sarkar、Xuejun Xie、Wei Liu、Wei Cao、Jiahao Kang與Stephan Kraemer,以及萊斯大學的Yongji Gong與Pulickel Ajayan均參與了這項研究。

該途徑更優於使用矽或III-V族化合物半導體作為通道材料的TFET,因為TFET所使用的這些材料表面狀態的密度較高,從而提高了漏電流。該論文則指出了一種在室溫下達到最高30mV/decade的次閾值擺幅。

英國曼徹斯特大學(University of Manchester)物理學教授Konstantin Novoselov表示,「業界一直到最近才開始在穿隧電晶體中使用2D材料,而該研究更為這一領域帶來進一步提升這種元件性能的強大推動力。」Konstantin Novoselov由於「在石墨烯材料的新發現」而在2010年成為諾貝爾物理獎的共同得主之一。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Flat Tunneling Transistor Operates at 0.1V,by Peter Clarke)





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