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无半导体异质接面晶体管有望取代硅

上网日期: 2015年08月11日 ?? 作者: R. Colin Johnson ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:无半导体? 异质接面晶体管? 石墨烯?

美国密歇根理工大学(Michigan Tech)透过结合石墨烯的高电子迁移率与氮化硼碳纳米管(BNNT)的绝缘层特性,期望开发出尺寸较硅(Si)更小且更具热效能的无半导体(semiconductor-less)异质接面晶体管,从而在国际半导体技术蓝图(ITRS)预期的2028年大限时接棒。

“我们对于这个研究主题的兴趣在于打造完全不使用半导体的电子组件。尽管其他人正致于解决硅基晶体管的根本问题,我们则大胆地从探索不使用半导体的电路着手。 由于石墨烯提供了高电子迁移率,将它应用在数字交换器时,可带来具有吸引力的研究里程碑,”密歇根理工大学教授Yoke Khin Yap表示,“研究结果显示在石墨烯上生长电子绝缘BNNT,可利用石墨烯带来高效益的数字交换器。”

过去几年来,石墨烯已经成为各种先进研究的主题,但大部份的研究都着重于其零能隙特性进一步调整或加以掺杂,期望使其作为传统半导体的替代材料。然而,密歇根理工大学则保留石墨烯零能隙导体的特性,进一步为其结合宽能隙的绝缘体BNNT,期望打造出一种硅晶无法超越的超高密度异质接面结构。

密歇根理工大学日前与美国橡树岭国家实验室(ORNL)共同发表具有金量子点(QD)的BNNT,使其一种像穿隧晶体管一样电子可在量子点之间跳跃的组件;这篇名为“带金量子点功能的BNNT室温穿隧行为”(Room-Temperature Tunneling Behavior of Boron Nitride Nanotubes Functionalized with Gold Quantum Dots)的报告已经发表在《先进材料》(Advanced Materials)期刊中。

研究人员在发现石墨烯具有兼容于氮化硼的晶格结构后,除去了在其接口上的电子散射,他们认为可共同利用于创造出像晶体管般行为的异质接面。

结合石墨烯(灰色)的化学结构与BNNT(粉红和紫色),成为打造无半导体数字交换器的关键。《电子工程专辑》
结合石墨烯(灰色)的化学结构与BNNT(粉红和紫色),成为打造无半导体数字交换器的关键。
Source:Michigan Tech

“我们最先发布于2013年《先进材料》中的首项成果是基于金量子点之间的量子穿隧行为。量子点之间的实体间隙主要用于制作阻止电子流的潜在障碍(‘关断’状 态),”Yap 说。“目前针对石墨烯-BNNT异质接面的研究,由于半金属石墨烯与宽能隙BNNT之间的状态密度(DOS)不匹配,形成防止电流流经接面(‘关断’状 态)的穿隧阻障层。在充份施加电场后,弯曲能带使量子穿隧跨越阻障层,从而开启了开关。”

为了实现石墨烯/氮化硼异质接面, 研究团队在剥落的石墨烯单层蚀刻针孔,并从中生长BNNT——由于晶格匹配——使其分别形成晶体管般的异质接面。在以扫瞄电子显微镜(SEM)实时监测期间,室温下以四探针扫瞄穿隧显微镜(STM)进行特性化后,研究人员们发现仅开启0.5V电压时的交换率高达105。Yap认为,新的特性是在利用密度泛函理论(DFT)模拟后由于DOS不匹配所致。

灰色石墨导电基底可生长绝缘的BNNT,从而形成无半导体晶体管的异质接面。《电子工程专辑》
灰色石墨导电基底可生长绝缘的BNNT,从而形成无半导体晶体管的异质接面。
Source:Michigan Tech

接着,研究人员希望采用石墨烯的原子单层进行研究,最终开发出像硅晶体管般的三端组件,但在关断状态期间需要更高速度以及缺少半导体泄漏电压,因而大幅降低了功耗以及材料的作业温度。

“我们的下一个里程碑是打造石墨烯- BNNT异质接面与单层石墨烯薄层,”Yap说,“我们也正探索三端组件的设计,例如,利用一个环绕闸极的设计。”

从金量子点穿隧到BNNT的其他组件,密歇根大学的研究人员制作出量子穿隧组件,可在室温下表现得像晶体管一样,而不必使用半导体材料。《电子工程专辑》
从金量子点穿隧到BNNT的其他组件,密歇根大学的研究人员制作出量子穿隧组件,可在室温下表现得像晶体管一样,而不必使用半导体材料。
Source:Michigan Tech

据Yap,石墨烯本身速度太快了,只能作为导体应用,而氮化硼能隙过大,无法实现绝缘体以外的其他应用,但结合二者使用却相得益彰,实现如晶体管般的异质接面,不仅速度比硅更快,而且功耗还更低,在关断时几乎不耗电。

这项研究由美国能源署(DOE)、美国陆军研究实验室(U.S. Army Research Laboratory)武器与材料局(WMRD)共同赞助,并在纳米材料科学中心(CNMS)与整合纳米技术中心(CINT)进行研究。

编译:Susan Hong

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载







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