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超低功率石墨烯晶体管可达到100GHz的时钟速度

2016-05-26 14:19
夜隼008
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  多年来,科学家和工程师们一直想找到“更小更高效地运用二维石墨烯材料”的好方法。而现在,已经有科学家设计出了一种超低功耗、且最终有望将处理器时钟速率提升至惊人的100GHz的石墨烯晶体管。传统晶体管允许电子被一个能量源所激发,跳过能量壁垒并切换到另一状态。尽管这种方法工作得挺好,但在能效上却难以大幅提升。

  

  石墨烯双分子层的电场横剖面,能量取决于其DoS

  反观隧道晶体管,因借助了量子隧穿效应来跳过能量势垒(瞬间移动),其操作时的能耗要比标准晶体管少一些。问题是,通达另一侧的电流太小,所以距离实际运用还有些遥远。

  不过现在,莫斯科物理技术学院(MIPT)的科学家们已经找到了一种方法来提高隧穿电流,那就是常备业界所提起的二维结构材料——石墨烯。

  

  上图为石墨烯双分子层的一种布局(TFET/隧道场效应晶体管)

  尽管只是一张由碳原子组成的薄片,但它却拥有一些不寻常的电子特性。本例中,科学家们建立了一个石墨烯双分子层的模型,结果发现其电子能量范围有些奇怪。

  双层石墨烯能带的形状,很像是“墨西哥帽”,而不是大多数半导体生产所运用的“抛物线状”。其意义是,“帽子”边沿的电子密度似乎趋近于无穷大(又称van Hove singularity/“范霍夫奇点”)。

  

  前栅极介电层为2nm的二氧化锆,后级为10nm的二氧化硅,源/排与控制栅极之间的隔断分别是5nm和10nm。

  只需在晶体管门上施加很小的电压,大量的电子就可以一次穿透隧道(电流急剧改变并突破能量势垒)。其结果和一个标准的晶体管一样,只是所需的电压要小得多。

  论文作者之一的Dmitry Svintsov表示:“这意味着此类晶体管在切换状态时有着更少的能量需求,芯片的功耗、发热、以及配套的散热需求也随之下降,即使大幅提升时钟频率也不会造成额外的散热负担”。

 

  “有效质量值”大部分在InAs

  双层石墨烯晶体管还可以跳过复杂的“化学掺杂”步骤(生产传统晶体管时必须要这么做,以拓展半导体的能带),但能够通过“电子掺杂”达到与传统晶体管相同的结果(包括副作用)。

  研究人员特地对“墨西哥帽沿”解释了一番,称这一过程发生了不少重要的事件,只是以前很难测量。然而通过更优质的基质(打造双层石墨烯样品的基底材料),将能够首次用实验验证范霍夫奇点。

  

  电子密度保持在固定的4×1013?cm-2,名义能隙为0.3eV

  最终,该晶体管可以达到低至150mV的操作电压(相比之下,传统硅晶体管为500mV),双层石墨烯有望成为大幅提升计算机性能的一个有效方法。

  Svintsov表示:“功率低,电子部件的温度也低,这意味着我们可以让芯片运行在极高的频率——不是GHz级别的提升、而是数十上百倍”。

  

  80 K温度下获得的实验数据,带状图为对应的特征点

  该团队的研究论文,已经刊登在近期出版的《科学报告》(Scientific Report)期刊上,感兴趣的网友可戳这里查看更详细的(PDF)文档。

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