——新型晶体管克服了传统晶体管的基本极限之一，功耗减少90%以上。

来源：加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校（University of California - Santa Barbara）

工程研究人员已经证实了一种切换仅为0.1V的新型晶体管，相比于先进的硅晶体管，其功耗可减少90%以上。

 

加州大学圣塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）纳米电子学研究实验室的Kaustav Banerjee教授(右)等研究人员。图片来源：UCSB

电子产品发展过程中最大的挑战之一是降低晶体管开关切换过程中的功耗。最近，加州大学圣塔芭芭拉分校的工程师与莱斯大学合作在《自然》（Nature）期刊上发表了一篇论文，证实了一种开关切换电压仅为0.1V的新型晶体管，且其功耗相比于先进的硅晶体管(MOSFETs)而言也降低了90%以上。

上世纪70年代起，MOSFETs就已成为日常电子产品的基本组成部分了。然而，为维持晶体管密度不断提升的需求，MOSFETs小型化受到其导通特性的根本局限，从而引发了功耗挑战。

UCSB电气与计算机工程教授Kaustav Banerjee解释说：“晶体管导通的陡度可用亚阈值摆幅参数来衡量，MOSFETs中该参数不能低于某一定值。”室温下MOSFETs中60mV的最小栅极电压变化需要电流有十倍的改变。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。

UCSBKaustav Banerjee教授团队采用一种新方法，颠覆了这一基本局限。他们利用带-带隧穿的量子力学现象设计了一种亚阈值摆幅每十年不足60mV的隧道场效应晶体管（TFET）。

Banerjee解释说：“我们重新构建了晶体管源形成沟道结，过滤那些即使在关状态下也可扩散穿过源/信道屏障的高能电子，从而使得关状态的电流小到可忽略不计。”UCSBBanerjee教授带领的纳米电子学研究实验室成员包括Deblina Sarkar、XuejunXie、Wei Liu、Wei Cao、Jiahao Kang和Stephan Kraemer，还有莱斯大学的Yongji Gong和PulickelAjayan。

全球电子行业每年因芯片功耗引起的损失数十亿美元，Banerjee等人受其激励。“这在个人设备如手机、笔记本电脑上表现为电池寿命低，对大型数据中心服务器来说就是功率需求太大。”Banerjee这样补充，指出了全球这一能源需求的规模。

依赖传统半导体（如硅或III-V族化合物半导体）作为TFETs的通道材料，Banerjee认为，“行业面临的局限性是因为这些材料具有高表面态密度，从而增加了漏电流，降低了亚阈值摆幅。”

UCSB研究团队设计的TFET在某些方面克服了这一挑战，最重要的是层状二维材料二硫化钼（MoS2）的使用。MoS2作为载流通道置于作为源电极的高掺杂锗（Ge）上，提供了理想的表面，且厚度仅为1.3nm。由此产生的垂直异质结构提供了一个优异的源-信道结，该结无应变、载流电子通过超薄(~0.34nm)范德瓦尔斯带隙从Ge隧穿至MoS2的势垒低、且具有较大的隧道区。

该论文第一作者、Banerjee实验室博士生Deblina Sarkar这样说到：“我们想法的关键是将3D和2D材料结合成独特的异质结构，以获得两者的最佳。3D结构的成熟掺杂技术嫁接到2D层超薄本质和原始界面，从而获得高效的量子隧穿势垒，这可由门来轻易调节。”

Banerjee说：“目前我们已经制得了最薄通道亚热离子晶体管。”这种原子级薄的层状半导体隧道场效应晶体管是实现亚热离子亚阈值摆幅（室温下每十年约30mV）漏电流超过40年的唯一平面结构器件，且是唯一一个可获得超低漏源电压为0.1V的结构。

莱斯大学化学与生物分子工程教授Ajayan评论说：“这是一个明显的例子，显示了2D原子层状材料的优势，具有传统材料无法实现的器件性能。这可能是人们渴望采用2D材料构建的一系列新型器件的第一项突破。”

“这项研究是寻找低电压逻辑晶体管的重要一步。亚热离子操作被抑制了四个数量级，启动电流同样优于当前最先进的水平。虽然还有很长的路要走，但这项研究显示出了2D材料实现低压器件的潜力。”普渡大学电气与计算机工程教授Mark Lundstrom如是说。

该论文作者之一、Banerjee团队博士生Wei Cao解释说：“我们已经展示了如何实现符合ITRS要求的最重要的指标——陡度亚阈值摆幅。我们制备的晶体管可以用于多种低功耗的应用，包括主要要求陡度亚阈值摆幅的领域，如生物传感器或气敏传感器。随着性能的提高，这类晶体管的应用范围也可以进一步扩大。”

曼彻斯特大学物理学教授Konstantin Novoselov博士评论说：“这项研究代表了二维材料更接近实际电子应用的一个重要环节。2D材料在隧道晶体管中的应用刚刚兴起，该论文给出了整个领域，有助于进一步提高这类器件的特性。” Konstantin Novoselov因发现石墨烯荣获2010年的诺贝尔物理学奖。

美国理海大学（Lehigh University）电气工程教授、时任AFOSR项目经理、资助该研究的James Hwang说：“我第一次听到Banerjee利用2D材料涉及带间隧穿晶体管的概念是在2012年，我便认识到了它的优势以及在超低功耗电子产品当中的巨大潜力。我很高兴看到他的目标已经实现。”

新材料在线编译整理——翻译：菠菜     校正：摩天轮