世界各地的電子工程師都在努力提高設備的性能，同時降低它們的功耗。隧道場效應晶體管 (TFET) 是一類具有獨特開關機制的實驗性晶體管，可能是開發低功率電子產品的特別有前途的解決方案。

盡管具有潛力，但大多數基于硅和 III-V 異質結的 TFET 在某些操作模式下表現出低導通電流密度和開/關電流比。使用 2D 材料制造這些晶體管有助于改善靜電控制，可能會增加其導通電流密度和開/關比。

賓夕法尼亞大學、中國科學院、美國國家標準與技術研究院和空軍研究實驗室的研究人員最近開發了基于由 2D 金屬硒化物和 3D 硅形成的范德華異質結構的新型異質結隧道三極管。這些三極管發表在Nature Electronics上的一篇論文中，在導通電流密度和開/關比方面可能優于過去提出的其他 TFET。

“這篇論文是基于二維材料的隧道晶體管或開關器件的實現，”進行這項研究的研究人員之一 Deep Jariwala 告訴 TechXplore。“這是一個眾所周知的想法，十年來許多人一直在努力研究和解決。問題一直是設備的性能，以形成強有力的案例。”

為了提高隧道開關器件在 ON/OFF 電流比、亞閾值擺幅和 ON 電流密度方面的性能，一些研究試圖開發僅使用硅和 III-V 半導體或 2D 半導體的器件。雖然其中一些提議的設備比其他設備表現更好，但它們的性能似乎在至少一個相關方面受到損害。

“通過我們的工作，我們已經證明，當 2D InSe 或 WSe 2與硅結合時，上述器件的所有三個主要性能特征都可以同時得到改善，”Jariwala 解釋說。

為了制造異質結隧道三極管，Jariwala 和他的同事將 InSe 晶體壓印到了重度 p 摻雜的硅片上。隨后，他們使用光刻法（一種印刷方法）創建了觸點，沉積了頂柵電介質，并圖案化了柵電極。

“我們的柵極可調隧道三極管的一個關鍵優勢是它們基于硅，這是所有微處理器的底層材料，”Jariwala 說。“此外，它們具有一些最陡峭的亞閾值擺幅、開/關電流比和隧道器件的開電流密度，使它們成為基于隧道現象的最節能和最有效的開關。”

在最初的測試中，研究人員創建的三極管在四個十年的漏極電流中達到了低至 6.4 mV 十倍頻-1的亞閾值斜率和 34.0 毫伏十倍頻 -1 的平均亞閾值斜率。值得注意的是，它們還表現出大約 10 6的電流開/關比和 0.3 μA μm –1的導通電流密度，漏極偏壓為 –1 V。

Jariwala 說：“我們展示了 InSe 作為一種出色的 2D 半導體與良好的舊硅相結合，可以實現一些最節能的開關設備。” “這一發現的可能意義是巨大的，因為能源效率（而不是摩爾定律）是微電子設備級創新的關鍵要求/需要。”

Jariwala 及其同事介紹的異質結隧道三極管可以為實現性能更好的低功耗電子設備鋪平道路。原則上，考慮到基于 InSe 的 2D 材料可以直接在硅上生長，他們的設計也可以擴大到晶圓。

“在我們接下來的研究中，我們計劃擴大材料生長以使其更實用，并縮小設備尺寸以進一步提高能，”Jariwala 補充道。“在晶圓上大面積展示材料生長將是我們希望在明年實現的一個重要里程碑。”

編輯：黃飛