Tunnelfet op de kaart gezet als opvolger mosfet

Reading time: 3 minutes

Author:

Iedere student elektrotechniek kent haar: de sub-threshold slope, de helling van de lijn als de logaritme van de stroomsterkte in een mosfet wordt uitgezet tegen de gatespanning. Dit is een belangrijke karakteristiek van een transistor: hoe steiler de helling, hoe soepeler hij van uit naar aan en vice versa schakelt.

Al even bekend is de reciproque waarde, de sub-threshold swing (SS), en dan met name de minimale waarde die deze aanneemt bij kamertemperatuur: zestig millivolt per tienvoud stroomsterkte. Dat betekent dat er minimaal zestig millivolt nodig is voor elke vertienvoudiging van de stroom. Deze zogenaamde thermische limiet houdt verband met de intrinsieke beweging van elektronen, en is niet te omzeilen.

Althans, niet met een klassieke mosfet. Er zijn wel andere typen transistoren denkbaar met een SS lager dan de thermische limiet. Sterker nog: daar anticipeert de International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) op, want het SS-minimum beperkt in welke mate de voedingsspanning van een chip kan worden meegeschaald met de rest. Al een poosje is de SS-limiet een lastpak, maar op den duur wordt zij de nekslag voor de mosfet.

Een van de beoogde alternatieven is de tunnelfet, een transistor waarin niet een reguliere stroom maar een tunnelstroom wordt gemoduleerd. Na verschillende niet al te overtuigende pogingen hebben onderzoekers van de University of California, Santa Barbara, de tunnelfet met een publicatie in Nature nu definitief op de kaart gezet als potentiële transistor van de toekomst.

‘De grote verbetering in dit onderzoek is dat de thermische limiet daadwerkelijk is verslagen, bij kamertemperatuur, over vier ordegroottes van stroom. Dit geeft aan dat de groep een aantal problemen effectief van tafel heeft weten te krijgen. Het geeft veel hoop want het lukte zo vaak niet om onder de thermische limiet te duiken dat er twijfel ontstond of de tunnelfet überhaupt praktisch realiseerbaar was’, zegt hoogleraar halfgeleidercomponenten Jurriaan Schmitz van de Universiteit Twente, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Showstopper

Het hart van de Atomically Thin and Layered Semiconducting Channel-tunnelfet (Atlas) uit Californië is een dubbellaag van molybdeensulfide (MoS₂), een 2d-materiaal vergelijkbaar met grafeen, boven op een p-gedoteerd germanium substraat (zie figuur). Elektronen stromen vanuit de source het device in, tunnelen vanuit het germanium het MoS₂ in (in de figuur aangeduid met btbt, band-to-band tunneling) en vervolgen daarna hun weg naar de drain.

De karakteristieken van de nieuwe schakelaar zijn spectaculair: over vier ordegrootte stroom haalt hij gemiddeld een SS van 31,1 millivolt/decade. De laagst gemeten waarde, over een kleiner bereik, is zelfs 3,9 millivolt/decade. Minstens zo indrukwekkend is dat deze resultaten worden behaald bij een ongekend lage voedingsspanning van 0,1 volt. Het modernste cmos op de markt werkt met 0,9 à 1,0 V interne voedingsspanning.

Nu is de Atlas-tunnelfet wel een exotische constructie, die in de woorden van Schmitz noodgedwongen ‘een beetje houtje-touwtje is’. De onderzoekers gebruikten bijvoorbeeld een vast polymeerelektrolyt als gatediëlektricum in plaats van het gebruikelijke oxide, simpelweg omdat de kennis ontbreekt om een adequate gate te fabriceren op MoS₂. Toch leent het concept zich voor opschaling, denkt Schmitz. ‘De architectuur en materiaalkeuze lijken daarvoor geschikt. Dat MoS₂ op een apart substraat wordt gemaakt en moet worden overgebracht op de wafer is wat onwennig, maar volgens specialisten is het geen showstopper.’