超低功率石墨烯晶體管可達到100GHz的時鐘速率

多年來，科學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，已經有科學家設計出了一種超低功耗、且最終有望將處理器時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能量源所激發，跳過能量壁壘并切換到另一狀態。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橫剖面，能量取決于其DoS。

反觀隧道晶體管，因借助了量子隧穿效應來跳過能量勢壘（瞬間移動），其操作時的能耗要比標準晶體管少一些。問題是，通達另一側的電流太小，所以距離實際運用還有些遙遠。

不過現在，莫斯科物理技術學院（MIPT）的科學家們已經找到了一種方法來提高隧穿電流，那就是常備業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，科學家們建立了一個石墨烯雙分子層的模型，結果發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所運用的“拋物線狀”。其意義是，“帽子”邊沿的電子密度似乎趨近于無窮大（又稱van Hove singularity/“范霍夫奇點”）。

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：“這意味著此類晶體管在切換狀態時有著更少的能量需求，芯片的功耗、發熱、以及配套的散熱需求也隨之下降，即使大幅提升時鐘頻率也不會造成額外的散熱負擔”。

“有效質量值”大部分在InAs。

雙層石墨烯晶體管還可以跳過復雜的“化學摻雜”步驟（生產傳統晶體管時必須要這么做，以拓展半導體的能帶），但能夠通過“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，稱這一過程發生了不少重要的事件，只是以前很難測量。然而通過更優質的基質（打造雙層石墨烯樣品的基底材料），將能夠首次用實驗驗證范霍夫奇點。

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有效方法。

Svintsov表示：“功率低，電子部件的溫度也低，這意味著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溫度下獲得的實驗數據，帶狀圖為對應的特征點。