Een onderzoeksteam van The Hong Kong Polytechnic University (PolyU) heeft een nieuwe tunnelveldeffecttransistor (TFET) ontwikkeld die de lang bestaande fysieke barrière doorbreekt die bekendstaat als de 'Boltzmann-limiet' – een belangrijke doorbraak voor de micro-elektronica. Gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Science, zou deze doorbraak energiezuinige computing en de ontwikkeling van AI-chips van de volgende generatie kunnen hervormen.

Conventionele transistoren, de bouwstenen van geïntegreerde schakelingen, zijn afhankelijk van thermionische emissie om aan en uit te schakelen. Bij kamertemperatuur vereist dit proces een minimale poortspanning van 60 millivolt (mV), een beperking die door de Boltzmann-limiet wordt opgelegd en die verdere miniaturisatie en verbeteringen in energie-efficiëntie in hoogpresterende elektronica in de weg heeft gestaan. Het PolyU-team, onder leiding van prof. Jianhua Hao, hoofd van de afdeling Fysica en Materialen en hoogleraar materiaalfysica en apparaten, omzeilde deze beperking met behulp van kwantumtunneling.

Kwantumtunneling stelt ladingsdragers in staat een energiebarrière te passeren die volgens de klassieke fysica onneembaar zou zijn. Door zorgvuldig een heterostructuur van 2D-laagjes bismut en indiumselenide te ontwerpen, transformeerde het team het normaal gesproken semi-metallische bismut in een halfgeleider. Deze structurele verandering maakt efficiënte kwantumtunneling van ladingsdragers naar het indiumselenide mogelijk, wat resulteert in een transistor met subdrempelsteilheid (SS)-waarden ver onder de limiet van 60 mV per decennium. De subdrempelsteilheid geeft aan hoe scherp een transistor tussen zijn UIT- en AAN-toestand schakelt; een steilere schakeling betekent dat er minder spanning en dus minder energie nodig is voor elke schakelbewerking. De zoektocht naar apparaten die deze ondergrens van 60 mV/decennium doorbreken is al lang een doel in dit vakgebied, met TFET's als een van de belangrijkste kandidaten die wereldwijd worden bestudeerd, naast andere steile-schuine benaderingen zoals transistoren met negatieve capacitantie.

De nieuwe TFET werkt bij kamertemperatuur op siliciumsubstraten, een cruciaal praktisch voordeel voor integratie in bestaande productieprocessen. Het apparaat heeft een poortspanning van slechts 160 mV nodig, vergeleken met de 800 mV die conventionele apparaten vereisen. Deze drastische vermindering van de spanningsvereisten vertaalt zich in een aanzienlijk lager stroomverbruik, een sleutelfactor voor energiezuinige computing en voor AI-technologie, die enorme rekenkracht vereist. Omdat de schakelenergie van een transistor schaalt met de spanning, is het verlagen van de bedrijfsspanningen een van de meest directe hefbomen om het energieverbruik van processors te verminderen – een steeds urgender zorg nu de reken- en energiebehoeften van AI-training en -inferentie blijven groeien.

Een grote uitdaging bij eerdere experimentele TFET's was het bereiken van een hoge uitgangsstroom terwijl een hoge AAN/UIT-stroomverhouding behouden bleef. Het apparaat van PolyU overwintt deze hindernis door zowel een hoge uitgangsstroom als een uitzonderlijke AAN/UIT-schakelverhouding te leveren. Deze prestatie stelt de transistor in staat meerdere downstream logische poorten aan te sturen en vermindert circuitsnelheidsvertragingen, waardoor het geschikt is voor praktische geïntegreerde schakelingen.

Prof. Hao benadrukte het belang van deze doorbraak: 'Door kwantumtunneling toe te passen, doorbreekt onze TFET deze grens en baant de weg voor ultralagenergie, hoogpresterende geïntegreerde schakelingen die essentieel zijn voor opkomende AI-chips en geavanceerde halfgeleidertoepassingen.'

Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met de National University of Singapore, The Hong Kong University of Science and Technology, Peking University en de Singapore University of Technology and Design.

Deze ontwikkeling heeft verstrekkende implicaties voor de toekomst van de elektronica. Nu de halfgeleiderindustrie de fysieke grenzen van conventionele MOSFET-technologie nadert, bieden innovatieve benaderingen zoals kwantumtunneling-TFET's een levensvatbare weg vooruit. Werken op lagere spanningen zonder in te leveren op prestaties kan leiden tot efficiëntere datacenters, een langere batterijduur in mobiele apparaten en krachtigere AI-systemen die minder energie verbruiken. De geslaagde demonstratie van de technologie op siliciumsubstraten wijst op een soepelere overgang van onderzoek naar commerciële toepassing, hoewel de stap van een laboratoriumdemonstratie naar productie op grote schaal doorgaans verdere ontwikkeling vereist op het gebied van materiaalkwaliteit, uniformiteit van apparaten en grootschalige procesintegratie.

Bron: Citybuzz