摘要：多年來(lái)，科學(xué)家和工程師們一直想找到“更小更高效地運用二維石墨烯材料”的好方法。而現在，已經(jīng)有科學(xué)家設計出了一種超低功耗、且最終有望將處理器時(shí)鐘速率提升至驚人的100GHz的石墨烯晶體管。傳統晶體管允許電子被一個(gè)能量源所激發(fā)，跳過(guò)能量壁壘并切換到另一狀態(tài)。盡管這種方法工作得挺好，但在能效上卻難以大幅提升。
石墨烯雙分子層的電場(chǎng)橫剖面，能量取決于其DoS 反觀(guān)隧道晶體管，因借助了量子隧穿效應來(lái)跳過(guò)能量勢壘（瞬間移動(dòng)），其操作時(shí)的能耗要比標準晶體管少一些。問(wèn)題是，通達另一側的電流太小，所以距離實(shí)際運用還有些遙遠。
不過(guò)現在，莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）的科學(xué)家們已經(jīng)找到了一種方法來(lái)提高隧穿電流，那就是常備業(yè)界所提起的二維結構材料——石墨烯。
上圖為石墨烯雙分子層的一種布局（TFET/隧道場(chǎng)效應晶體管）
盡管只是一張由碳原子組成的薄片，但它卻擁有一些不尋常的電子特性。本例中，科學(xué)家們建立了一個(gè)石墨烯雙分子層的模型，結果發(fā)現其電子能量范圍有些奇怪。
雙層石墨烯能帶的形狀，很像是“墨西哥帽”，而不是大多數半導體生產(chǎn)所運用的“拋物線(xiàn)狀”。其意義是，“帽子”邊沿的電子密度似乎趨近于無(wú)窮大（又稱(chēng)van Hove singularity/“范霍夫奇點(diǎn)”）。
前柵極介電層為2nm的二氧化鋯，后級為10nm的二氧化硅，源/排與控制柵極之間的隔斷分別是5nm和10nm。
只需在晶體管門(mén)上施加很小的電壓，大量的電子就可以一次穿透隧道（電流急劇改變并突破能量勢壘）。其結果和一個(gè)標準的晶體管一樣，只是所需的電壓要小得多。
論文作者之一的Dmitry Svintsov表示：“這意味著(zhù)此類(lèi)晶體管在切換狀態(tài)時(shí)有著(zhù)更少的能量需求，芯片的功耗、發(fā)熱、以及配套的散熱需求也隨之下降，即使大幅提升時(shí)鐘頻率也不會(huì )造成額外的散熱負擔”。
“有效質(zhì)量值”大部分在InAs
雙層石墨烯晶體管還可以跳過(guò)復雜的“化學(xué)摻雜”步驟（生產(chǎn)傳統晶體管時(shí)必須要這么做，以拓展半導體的能帶），但能夠通過(guò)“電子摻雜”達到與傳統晶體管相同的結果（包括副作用）。
研究人員特地對“墨西哥帽沿”解釋了一番，稱(chēng)這一過(guò)程發(fā)生了不少重要的事件，只是以前很難測量。然而通過(guò)更優(yōu)質(zhì)的基質(zhì)（打造雙層石墨烯樣品的基底材料），將能夠首次用實(shí)驗驗證范霍夫奇點(diǎn)。
電子密度保持在固定的4*1013 cm-2，名義能隙為0.3eV。
最終，該晶體管可以達到低至150mV的操作電壓（相比之下，傳統硅晶體管為500mV），雙層石墨烯有望成為大幅提升計算機性能的一個(gè)有效方法。
Svintsov表示：“功率低，電子部件的溫度也低，這意味著(zhù)我們可以讓芯片運行在極高的頻率——不是GHz級別的提升、而是數十上百倍”。
80 K溫度下獲得的實(shí)驗數據，帶狀圖為對應的特征點(diǎn)。
該團隊的研究論文，已經(jīng)刊登在近期出版的《科學(xué)報告》（Scientific Report）期刊上，感興趣的網(wǎng)友可戳這里查看更詳細的（PDF）文檔。
[編譯自：Gizmag , 來(lái)源：MIPT]
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