美国利福尼亚大学研究人员采用二位材料制备出新型二极管

    在电子产品发展的最大挑战之一是降低晶体管开关过程中的功率消耗。最近加利福尼亚大学圣巴拉巴拉分校(UCSB)与莱斯大学的研究人员合作研发出一种新的晶体管，开关电压只有0.1V，与目前最先进的硅晶体管（MOSFET）相比，功耗降低90%以上。该成果发表在《自然》期刊上。

    自从20世纪70年代以来，MOSFET已经日常电子产品的基础构件。然而，随着晶体管密度的不断增加，小型化的MOSFET由于其导通特性的根本局限遇到了功耗挑战。

    加利福尼亚大学圣巴拉巴拉分校电气和计算机工程教授Kaustav Banerjee解释称，“一个晶体管导通曲线的斜率由一个参数决定，称为亚阈值摆幅，该值不能低于MOSFET中一定水平。”室温下，使MOSFET电流变化十倍，栅极电压最小需要变化60mV。从本质上说，晶体管技术的现有状态限制了数字电路的能量效率潜力。

    Banerjeed教授的研究小组采取了新的方式来颠覆这个基本的限制。他们采用量子力学中的带-带隧穿现象设计一个隧道场效应晶体管（TFET），亚阈值摆幅为10时，电压变化低于60mV。

    “我们调整了晶体管源极与信道的节点，以过滤出高能量电子，即使在关机状态下也可以通过源极/信道屏障，从而使关态电流小到可以忽略不计。”Banerjee教授解释。

    由于受到功耗带来的芯片成本上升和可靠性下降的影响，全球电子行业每年损失数十亿美元。Banerjee小组因此开展该项研究工作。这意味着个人设备如手机、笔记本电脑的电池寿命更低，大型数据中心的服务器功耗巨大。

    传统的半导体依赖硅或III-V族化合物半导体作为TFETs沟道的材料，使其具有一定的局限性，因为这些材料有高密度的表面状态，增加了漏电流并降低亚阈值摆幅。

    UCSB团队设计的TFET克服这一挑战，最显著是使用层状的二维（2D）材料二硫化钼（MoS2）。MoS2具有理想的表面，厚度仅为1.3nm，作为载流信道放置在一个高掺杂度的锗（Ge）材料中，构成器件源电极。所得垂直异质结构提供了一个独特的无应变源极—信道节点，载流电子从Ge隧穿到MoS2中，只需穿过超薄（〜0.34nm）范德华带隙间隙的低势垒和一个大隧道区域。

    Banerjee教授称，“我们想法的关键是将3D和2D材料结合构成一个独特的异质结，实现了两全其美。三维结构的成熟掺杂技术与2D材料层超薄和质朴的界面结合，获得高效量子力学隧道屏障，该屏障可以很容易地通过门极调整。目前我们设计的是有史以来最薄的亚热离子通道晶体管。”这种原子薄层状半导体隧道场效应晶体管（或ATLAS-TFET）是唯一的平面结构TFET，能够实现亚热离子亚阈值摆幅（室温下30毫伏/十）漏电流变化超过四十倍，也是唯一一个在任何结构中都能实现0.1V的超低漏源电压。

    该研究的合作者莱斯大学化学和生物分子工程Ajayan教授评论说，“这是一个显著的例子，显示二维原子层状材料使器件达到采用常规材料无法实现的性能。这也许目前人们努力使用二维材料制备的一系列新设备的第一次突破。

    “这项工作是寻求低压逻辑晶体管过程的显著进步。在四个数量级上进行亚热操作令人印象深刻，是当前最先进的技术。这项工作还有很长的路要走，但表明二维材料在实现长寿命、低压设备的潜力。”普渡大学电气和计算机工程教授马克·伦德斯特伦评论说。

    “我们已经展示了如何实现满足ITRS要求的最重要指标：陡峭亚阈值摆幅。我们的晶体管可以用于许多低功耗的领域，包括将陡峭的亚阈值摆幅作为主要要求的领域，如生物传感器、气体传感器。随着性能的提高，该晶体管的应用范围可以进一步扩大。”

    “这项工作是使二维材料更贴近实际应用的电子产品中的重要一步。使用二维材料隧道晶体管最近才开始的，这给出了整个领域的又一有力的推动作用，进一步提高这些设备的特性。”曼彻斯特大学物理学教授康斯坦丁·诺沃肖洛夫博士评论说。诺沃肖洛夫博士因发现石墨烯，是2010年诺贝尔物理奖共同获得者。

    “当我于2012年第一次听到Banerjee的二维材料设计带间隧穿晶体管的想法时，我认识到了它在超低功耗电子产品的价值和巨大潜力。我很高兴地看到他的目标已经实现。” AFOSR项目经理、利哈伊大学电子工程系教授James Hwang评论说。（工业和信息化部电子科学技术情报研究所 张慧）<