Исследовательская группа Политехнического университета Гонконга (PolyU) разработала новый туннельный полевой транзистор (TFET), преодолевающий давний физический барьер, известный как «предел Больцмана», что стало значительным достижением в микроэлектронике. Прорыв, опубликованный в журнале Science, может изменить облик энергоэффективных вычислений и разработки ИИ-чипов нового поколения.

Обычные транзисторы — строительные блоки интегральных схем — переключаются за счёт термоэлектронной эмиссии. При комнатной температуре этот процесс требует минимального напряжения затвора в 60 милливольт (мВ) — ограничение, установленное пределом Больцмана, которое препятствовало дальнейшей миниатюризации и повышению энергоэффективности высокопроизводительной электроники. Группа PolyU под руководством профессора Цзянхуа Хао, заведующего кафедрой физики и материалов и профессора материаловедения и приборостроения, обошла это ограничение с помощью квантового туннелирования.

Квантовое туннелирование позволяет носителям заряда проходить через энергетический барьер, непроходимый с точки зрения классической физики. Тщательно спроектировав гетероструктуру из двумерных слоёв висмута и селенида индия, команда превратила обычно полуметаллический висмут в полупроводник. Это структурное изменение обеспечивает эффективное квантовое туннелирование носителей в селенид индия, в результате чего получается транзистор со значениями крутизны подпорогового перехода (SS) значительно ниже предела 60 мВ на декаду. Крутизна подпорогового перехода показывает, насколько резко транзистор переключается между состояниями ВЫКЛ и ВКЛ: чем круче переключение, тем меньше напряжения, а значит, и энергии требуется на каждую операцию. Поиск устройств, преодолевающих порог 60 мВ/декаду, давно является целью в этой области, при этом TFET входят в число ведущих кандидатов, изучаемых во всём мире, наряду с другими подходами к крутым переключательным характеристикам, такими как транзисторы с отрицательной ёмкостью.

Новый TFET работает при комнатной температуре на кремниевых подложках, что является важным практическим преимуществом для интеграции в существующие производственные процессы. Ему требуется диапазон напряжения затвора всего 160 мВ по сравнению с 800 мВ, необходимыми обычным устройствам. Такое резкое снижение требований к напряжению означает значительно меньшее энергопотребление — ключевой фактор для энергоэффективных вычислений и технологий ИИ, требующих огромной вычислительной мощности. Поскольку энергия переключения транзистора масштабируется с напряжением, снижение рабочих напряжений является одним из самых прямых способов уменьшить энергопотребление процессоров — задача, приобретающая всё большую остроту по мере роста вычислительных и энергетических требований к обучению и выводу моделей ИИ.

Одной из главных проблем предыдущих экспериментальных TFET было достижение высокого выходного тока при сохранении высокого отношения токов ВКЛ/ВЫКЛ. Устройство PolyU преодолевает этот барьер, обеспечивая как высокий выходной ток, так и исключительное отношение токов переключения ВКЛ/ВЫКЛ. Такие характеристики позволяют транзистору управлять несколькими последующими логическими вентилями и снижают задержки в цепях, что делает его пригодным для практических интегральных схем.

Профессор Хао подчеркнул значимость работы: «Применяя квантовое туннелирование, наш TFET преодолевает эту границу, открывая путь к сверхмалопотребляющим высокопроизводительным интегральным схемам, необходимым для перспективных ИИ-чипов и передовых полупроводниковых применений».

Исследование проводилось в сотрудничестве с Национальным университетом Сингапура, Гонконгским университетом науки и технологий, Пекинским университетом и Сингапурским университетом технологии и дизайна.

Это развитие имеет широкие последствия для будущего электроники. Поскольку полупроводниковая индустрия приближается к физическим пределам традиционной технологии MOSFET, инновационные подходы, такие как квантово-туннельные TFET, предлагают жизнеспособный путь вперёд. Работа при более низких напряжениях без потери производительности может обеспечить более эффективные центры обработки данных, более долгое время автономной работы мобильных устройств и создание более мощных систем ИИ, потребляющих меньше энергии. Успешная демонстрация технологии на кремниевых подложках предполагает более плавный переход от исследований к коммерческому применению, хотя путь от лабораторной демонстрации к серийному производству обычно требует дальнейших разработок в области качества материалов, однородности устройств и масштабной интеграции технологических процессов.

Источник: Citybuzz