Atoomdunne transistor gebruikt de helft van de spanning van gewone halfgeleiders, verhoogt de stroomdichtheid

Onderzoekers van de Universiteit van Buffalo rapporteren een nieuwe, tweedimensionale transistor gemaakt van grafeen en de verbinding molybdeendisulfide die zou kunnen helpen een nieuw computertijdperk in te luiden.

Zoals beschreven in een paper dat is geaccepteerd op de 2020 IEEE International Electron Devices Meeting, die vrijwel volgende week plaatsvindt, heeft de transistor de helft van de spanning nodig van de huidige halfgeleiders. Het heeft ook een grotere stroomdichtheid dan vergelijkbare transistors in ontwikkeling.

Dit vermogen om met minder spanning te werken en meer stroom te verwerken, is van cruciaal belang om te voldoen aan de vraag naar nieuwe energie-hongerige nano-elektronische apparaten, waaronder kwantumcomputers.

“Er zijn nieuwe technologieën nodig om de prestaties van elektronische systemen op het gebied van vermogen, snelheid en dichtheid te verbeteren. Deze transistor van de volgende generatie kan snel schakelen terwijl hij weinig energie verbruikt”, zegt Huamin Li, Ph.D. ., universitair docent elektrotechniek aan de UB School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

De transistor is samengesteld uit een enkele laag grafeen en een enkele laag molybdeendisulfide, of MoS2, dat deel uitmaakt van een groep verbindingen die bekend staat als overgangsmetalen chalcogeniden. Het grafeen en MoS2 zijn op elkaar gestapeld en de totale dikte van het apparaat is ongeveer 1 nanometer – ter vergelijking: een vel papier is ongeveer 100.000 nanometer.

Hoewel de meeste transistors 60 millivolt nodig hebben voor een decennium van stroomverandering, werkt dit nieuwe apparaat op 29 millivolt.

Het is in staat om dit te doen omdat de unieke fysische eigenschappen van grafeen elektronen “koud” houden wanneer ze vanuit het grafeen in het MoS2-kanaal worden geïnjecteerd. Dit proces wordt Dirac-source-injectie genoemd. De elektronen worden als “koud” beschouwd omdat ze veel minder spanningsingang nodig hebben en dus een lager energieverbruik om de transistor te laten werken.

Een nog belangrijker kenmerk van de transistor, zegt Li, is zijn vermogen om een ​​grotere stroomdichtheid aan te kunnen in vergelijking met conventionele transistortechnologieën op basis van 2-D- of 3-D-kanaalmaterialen. Zoals beschreven in de studie, kan de transistor 4 microampère per micrometer aan.

“De transistor illustreert het enorme potentieel van 2-D halfgeleiders en hun vermogen om energie-efficiënte nano-elektronische apparaten in te leiden. Dit zou uiteindelijk kunnen leiden tot vooruitgang in kwantumonderzoek en -ontwikkeling, en zou kunnen bijdragen aan de uitbreiding van de wet van Moore”, zegt co-hoofdauteur Fei Yao, Ph.D., assistent-professor bij de afdeling Materials Design and Innovation, een gezamenlijk programma van SEAS en UB’s College of Arts of Sciences.