Исследователи из Гонконгского политехнического университета создали туннельный транзистор, способный переключаться при значительно меньшем напряжении, чем обычные кремниевые MOSFET. Разработка использует квантовое туннелирование и преодолевает так называемый предел Больцмана – одно из основных препятствий на пути к дальнейшему снижению энергопотребления микросхем.
Экспериментальный транзистор изготовлен из сверхтонких слоёв висмута и селенида индия. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Почему обычным транзисторам требуется сравнительно высокое напряжение
Большинство современных процессоров построено на полевых транзисторах MOSFET. Для их переключения носители заряда должны преодолеть энергетический барьер под действием напряжения на затворе.
При комнатной температуре этот процесс ограничен тепловым движением частиц. Для десятикратного изменения тока напряжение на затворе приходится менять как минимум примерно на 60 мВ. Этот показатель называется подпороговым размахом, а его нижняя граница известна как предел Больцмана.
Ограничение мешает бесконечно снижать рабочее напряжение микросхем. Если напряжение уменьшать без изменения механизма переключения, возрастают токи утечки, и часть полученной экономии энергии теряется.
Как работает новый транзистор
Разработанный учёными TFET использует другой физический принцип. Носителям заряда не требуется получать достаточно энергии, чтобы пройти над барьером: благодаря квантовому туннелированию они могут проникать сквозь него.
Основой устройства стала гетероструктура Bi/InSe из сверхтонкого висмута и селенида индия. При малой толщине висмут приобретает полупроводниковые свойства, а взаимное расположение энергетических зон двух материалов создаёт условия для эффективного туннелирования.
Слои наносились методом импульсного лазерного осаждения в вакууме. Такой подход позволил получить чистую границу между материалами и точно контролировать структуру устройства.
Транзистор переключился в диапазоне 160 мВ
В ходе эксперимента устройство сохраняло подпороговый размах менее 60 мВ на декаду при изменении тока на шесть порядков. Отношение тока во включённом состоянии к току в выключенном превысило (10^7).
Ток в точке достижения подпорогового размаха 60 мВ на декаду составил около 10 мкА на микрометр. Этот результат важен, поскольку многие ранее созданные туннельные транзисторы также демонстрировали крутое переключение, но не могли обеспечить достаточно высокий рабочий ток.
При слишком малом токе транзистор медленнее управляет следующими элементами схемы. В результате увеличиваются задержки, а практическая польза низкого рабочего напряжения сокращается.
Новый TFET работал при комнатной температуре, а полный диапазон напряжения затвора для его переключения составил 160 мВ. Для сравнения, Гонконгский политехнический университет приводит значение около 800 мВ для современных MOSFET. Это не означает автоматического пятикратного уменьшения энергопотребления готового процессора, но показывает возможность заметно снизить рабочее напряжение будущих логических схем.
Разработку изготовили на кремниевой подложке
Транзистор продемонстрировали на стандартной кремниевой подложке сантиметрового размера. Это важно для возможного развития технологии: новая структура создаётся поверх привычной основы и теоретически может быть интегрирована с существующими полупроводниковыми процессами.
Исследователи связывают характеристики устройства с сочетанием нескольких решений:
- использованием сверхтонкого висмута;
- подбором селенида индия;
- точной настройкой энергетических зон;
- чистой границей между материалами;
- контролируемым нанесением слоёв в вакууме.
Метод импульсного лазерного осаждения позволяет выращивать тонкие плёнки с заданными параметрами. Однако возможность изготовить отдельные структуры на крупной подложке ещё не равна готовности к серийному выпуску процессоров.
До массового производства ещё далеко
Новая разработка пока остаётся лабораторным транзистором. Для применения в коммерческих микросхемах необходимо научиться формировать миллиарды одинаковых элементов и соединять их в полноценные логические схемы.
Также предстоит проверить:
- разброс характеристик между транзисторами;
- долговременную стабильность;
- скорость работы в составе логических элементов;
- совместимость с промышленной литографией;
- допустимую температуру производственных операций;
- выход годных кристаллов.
Поэтому утверждать, что процессоры на Bi/InSe появятся в ближайшее время, преждевременно. Работа демонстрирует физическую возможность эффективного переключения ниже предела, характерного для обычных MOSFET, но не представляет готовую замену современной кремниевой технологии.
Где может применяться новый принцип
Если TFET удастся масштабировать, главным преимуществом станет работа логики при меньшем напряжении. Энергия переключения транзистора приблизительно зависит от квадрата напряжения, поэтому даже умеренное его снижение способно заметно сократить расход электричества.
Технология может быть полезна в устройствах, где особенно важна энергоэффективность:
- мобильных процессорах;
- датчиках и устройствах интернета вещей;
- носимой электронике;
- специализированных ускорителях искусственного интеллекта;
- вычислительных системах с ограниченным охлаждением.
Главным результатом исследования стало сочетание двух характеристик: подпорогового размаха ниже 60 мВ на декаду и сравнительно высокого тока во включённом состоянии. Ранее именно недостаточный рабочий ток оставался одним из основных препятствий для практического применения туннельных транзисторов.
Разработка не отменяет законы термодинамики и не нарушает «предел Больцмана» в буквальном смысле. Она обходит ограничение, присущее тепловому механизму переключения обычных MOSFET, используя вместо него квантовое туннелирование.
