Ученые разработали новый тип транзистора на основе двухслойного графена и с помощью моделирования доказали, что он обладает рекордно низким энергопотреблением по сравнению с существующими аналогами, говорится в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports. Важнейшим следствием снижения энергопотребления транзисторов является возможность увеличить тактовую частоту процессоров. Согласно результатам расчетов, она может вырасти на два порядка. Эти рекорды возможны благодаря необычной зависимости энергии электрона от импульса в двухслойном графене, которая по внешнему виду напоминает мексиканскую шляпу.
«Дело здесь не столько в том, чтобы сэкономить электричество — электроэнергии у нас хватает. При меньшем энергопотреблении электронные компоненты меньше нагреваются, а значит, могут работать с более высокой тактовой частотой — не один гигагерц, а, например, 10 или даже 100», — говорит ведущий автор исследования, заведующий Лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов и преподаватель кафедры общей физики МФТИ Дмитрий Свинцов.
Создание транзисторов, способных переключаться при малых напряжениях (менее 0,5 вольт) является одной из серьезнейших проблем современной электроники. Наиболее перспективными кандидатами для решения проблемы являются туннельные транзисторы. В отличие от классических транзисторов, где электроны «перепрыгивают» через энергетический барьер, в туннельных транзисторах электроны через барьер «просачиваются» благодаря квантовому эффекту туннелирования. Однако в большинстве полупроводников туннельный ток очень мал, и это не позволяет использовать туннельные транзисторы на их основе в реальных схемах.
Авторы статьи, ученые из МФТИ, Физико-технологического института РАН и университета Тохоку (Япония) предложили новую конструкцию туннельного транзистора на основе двухслойного графена и с помощью моделирования доказали, что этот материал является идеальной платформой для низковольтной электроники.
Графен, удивительные свойства которого были открыты выпускниками МФТИ Андреем Геймом и Константином Новоселовым, представляет собой лист углерода толщиной в один атом. За счет двумерности свойства графена, в том числе электрические, радикально отличаются от трехмерного углерода — графита.
«Двухслойный графен — это два листа графена, связанные между собой ван-дер-ваальсовыми связями. Получать его так же просто, как однослойный графен, но благодаря уникальной структуре энергетических зон он представляет собой чрезвычайно перспективный материал для низковольтных туннельных переключателей», — говорит Свинцов.
Энергетические зоны двухслойного графена, т.е. разрешенные значения энергии электрона при данном значении импульса, имеют вид «мексиканской шляпы» (рис. 1А, для сравнения, энергетические зоны большинства полупроводников имеют вид параболоида). Оказывается, что плотность электронов, которые можно разместить вблизи краев «мексиканской шляпы» стремится к бесконечности – эта особенность называется сингулярностью ван Хова. При приложении уже небольшого напряжения на затвор транзистора огромное число электронов с краев «мексиканской шляпы» одновременно начинают туннелировать. Это приводит к резкому изменению тока при приложении малого напряжения, а малость используемого напряжения приводит к рекордно низкому энергопотреблению.
В своей работе исследователи отмечают, что до недавнего времени сингулярность ван Хова в двухслойном графене была едва заметна. Иначе говоря, края «мексиканской шляпы» выглядели потрёпанными из-за низкого качества образцов. Современные образцы графена на подложках гексагонального нитрида бора (hBN) обладают гораздо лучшим качеством, и наличие острых сингулярностей ван Хова в них экспериментально подтверждено методами сканирующей зондовой микроскопии и инфракрасной спектроскопии поглощения.
Рисунок 1. (A) Зависимость энергии электрона от импульса в двухслойном графене, напоминающая мексиканскую шляпу (слева), и энергетическая зависимость плотности состояний (справа). При энергии, соответствующей краю шляпы, плотность электронных состояний (density of states, DoS) стремится к бесконечности. (B) Красным обозначены состояния электронов, которые участвуют в туннелировании в двухслойном графене (слева) и в полупроводнике с «обычными» параболическими зонами (справа). Электроны, которые могут протуннелировать при малом напряжении в графене лежат на кольце, а в полупроводнике с параболическими зонами – лишь в одной точке. Пунктирная линия обозначает туннельные переходы. Красные линии обозначают траектории туннелирующих электронов в валентных зонах (valence band).
Разработанная авторами статьи конструкция транзистора уникальна еще по одной причине: для ее создания не требуется химического легирования графена. Химическое легирование — это растворение небольших количеств одного полупроводника в другом, которе служит для увеличения электропроводности. Например, растворение фосфора в кремнии приводит к тому же эффекту, что и растворение соли в воде — получающаяся смесь начинает проводить ток. Операция легирования являетя одной из самых сложных в микроэлектронной технологии. К счастью, двухслойный графен хорошо проводит ток сам по себе; более того, для измнения его проводимости не нужно внедрять инородные вещества — достаточно подать напряжение правильной полярности на так называемые “легирующие затворы” (“doping gates” на рис. 2).
Рисунок 2. Предложенная конструкция транзистора: двухслойный графен (красный слой) переносится на оксид кремния SiO2 или выращивается на подложке нитрида бора (hBN). Тонкий диэлектрик ZrO2 (2 нм) отделяет канал транзистора от управляющих затворов. Крайние затворы (doping gates) создают легированные контакты, центральный затвор (control gate) управляет прозрачностью туннельного барьера.
Рисунок 3. Рассчитанная зависимость тока графенового туннельного транзистора от напряжения на затворе. Закрашенная область в 150 мВ — это рабочий диапазон напряжений транзистора, который гораздо уже рабочего диапазона типичных кремниевых транзисторов (500 мВ). Крутизна характеристики предложенного транзистора значительно выше крутизны кремниевых анаологов. Так, чтобы изменить ток кремниевого транзистора в 10 раз, надо приложить как минимум 60 милливольт напряжения на затвор (штрихования линия показывает предел крутизны для таких транзисторов). В графеновом транзисторе достаточно приложить 20 микровольт напряжения на затвор, чтобы изменить ток на порядок.
При оптимальных условиях графеновый транзистор может менять силу тока в цепи в тридцать пять тысяч раз при колебании напряжения на затворе всего в 150 милливольт.
«Это означает, что транзистор требует меньше энергии для переключения, меньше энергии требуют микросхемы, меньше выделяется тепла, нужны менее мощные системы охлаждения, а тактовую частоту можно повысить, не опасаясь, что избыточное тепло разрушит микросхему», — говорит Свинцов.
