多年來(lái)，科學(xué)家和工程師們一直想找到“更小更高效地運(yùn)用二維石墨烯材料”的好方法。而現(xiàn)在，已經(jīng)有科學(xué)家設(shè)計(jì)出了一種超低功耗、且最終有望將處理器時(shí)鐘速率提升至驚人的100GHz的石墨烯晶體管。傳統(tǒng)晶體管允許電子被一個(gè)能量源所激發(fā)，跳過(guò)能量壁壘并切換到另一狀態(tài)。盡管這種方法工作得挺好，但在能效上卻難以大幅提升。

石墨烯雙分子層的電場(chǎng)橫剖面，能量取決于其DoS。

反觀隧道晶體管，因借助了量子隧穿效應(yīng)來(lái)跳過(guò)能量勢(shì)壘（瞬間移動(dòng)），其操作時(shí)的能耗要比標(biāo)準(zhǔn)晶體管少一些。問(wèn)題是，通達(dá)另一側(cè)的電流太小，所以距離實(shí)際運(yùn)用還有些遙遠(yuǎn)。

不過(guò)現(xiàn)在，莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）的科學(xué)家們已經(jīng)找到了一種方法來(lái)提高隧穿電流，那就是常備業(yè)界所提起的二維結(jié)構(gòu)材料——石墨烯。

上圖為石墨烯雙分子層的一種布局（TFET/隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。

盡管只是一張由碳原子組成的薄片，但它卻擁有一些不尋常的電子特性。本例中，科學(xué)家們建立了一個(gè)石墨烯雙分子層的模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其電子能量范圍有些奇怪。

雙層石墨烯能帶的形狀，很像是“墨西哥帽”，而不是大多數(shù)半導(dǎo)體生產(chǎn)所運(yùn)用的“拋物線狀”。其意義是，“帽子”邊沿的電子密度似乎趨近于無(wú)窮大（又稱van Hove singularity/“范霍夫奇點(diǎn)”）。

前柵極介電層為2nm的二氧化鋯，后級(jí)為10nm的二氧化硅，源/排與控制柵極之間的隔斷分別是5nm和10nm。

只需在晶體管門上施加很小的電壓，大量的電子就可以一次穿透隧道（電流急劇改變并突破能量勢(shì)壘）。其結(jié)果和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的晶體管一樣，只是所需的電壓要小得多。

論文作者之一的Dmitry Svintsov表示：“這意味著此類晶體管在切換狀態(tài)時(shí)有著更少的能量需求，芯片的功耗、發(fā)熱、以及配套的散熱需求也隨之下降，即使大幅提升時(shí)鐘頻率也不會(huì)造成額外的散熱負(fù)擔(dān)”。

“有效質(zhì)量值”大部分在InAs。

雙層石墨烯晶體管還可以跳過(guò)復(fù)雜的“化學(xué)摻雜”步驟（生產(chǎn)傳統(tǒng)晶體管時(shí)必須要這么做，以拓展半導(dǎo)體的能帶），但能夠通過(guò)“電子摻雜”達(dá)到與傳統(tǒng)晶體管相同的結(jié)果（包括副作用）。

研究人員特地對(duì)“墨西哥帽沿”解釋了一番，稱這一過(guò)程發(fā)生了不少重要的事件，只是以前很難測(cè)量。然而通過(guò)更優(yōu)質(zhì)的基質(zhì)（打造雙層石墨烯樣品的基底材料），將能夠首次用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范霍夫奇點(diǎn)。

電子密度保持在固定的4 1013 cm-2，名義能隙為0.3eV。

最終，該晶體管可以達(dá)到低至150mV的操作電壓（相比之下，傳統(tǒng)硅晶體管為500mV），雙層石墨烯有望成為大幅提升計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)有效方法。

Svintsov表示：“功率低，電子部件的溫度也低，這意味著我們可以讓芯片運(yùn)行在極高的頻率——不是GHz級(jí)別的提升、而是數(shù)十上百倍”。

80 K溫度下獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，帶狀圖為對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)。