Small Structures:超陡亚阈值摆幅的范德华电离晶体管

随着晶体管的不断微缩,具有超陡亚阈值摆幅(低于玻尔兹曼限制)的晶体管是电子器件研究领域的趋势。常用的低亚阈值摆幅器件有隧穿晶体管、负电容晶体管、纳米电机械器等等类型。和这些器件结构相比,电离晶体管具有更高的开通电流密度,更陡的亚阈值摆幅,以及更低的延迟等优势,因此引起了研究者的兴趣。

然而,电离晶体管的性能却受限于其较厚的耗尽区和较大工作电压(通常大于 5 V)。美国加州大学洛杉矶分校段镶锋和合作者通过范德华集成单层的石墨烯与超薄的铟化砷晶体,在低温下实现了具有超陡亚阈值摆幅和高开通电流的电离晶体管。课题组通过将单晶铟化砷薄膜与石墨烯利用范德华集成技术贴合在一起,构建了高性能的电离晶体管。铟化砷的窄带隙以及石墨烯的半金属特性可以极大的降低器件的工作电压,突破传统的电压限制。因此,在200 K以下的温度区间中,铟化砷 /石墨烯电离晶体管的工作电压可以低至1.5 V,亚阈值摆幅小于0.6 mV / dec,开通电流密度达到230μA /μm,开关比大于106。此外,本工作也在亚阈值状态下观察到了独特的负跨导和电流振荡效应,并提出了一种工作机理来解释这一现象,不仅进一步的提高了电离晶体管的性能,还提出了一种传统三五族半导体与新型二维材料之间实现范德华异质结构的新方法。本文发表在了Small Structures上(DOI: 10.1002/sstr.202000039)。