Отрицательное сопротивление может спасти графеновые транзисторы

Десять лет отчаянной борьбы на переднем крае науки, а одно из главных обещанных достижений — графеновые транзисторы — пока, скорее, теория, чем практика. Но калифорнийские ученые предлагают схему, реализация которой позволит обойти главную проблему — проблему отсутствия запрещенной зоны.

Снимок типичного графенового устройства, использованного экспериментаторами, под электронным микроскопом. Золотой цвет соответствует истоку/стоку, розовый — верхнему затвору, а синий под ними — графену. Затвор и графеновый канал разделены двухслойным "бутербродом" из оксида алюминия и оксида гафния. Масштаб — один микрометр. Здесь и ниже иллюстрации Guanxiong Li

Полупроводниковый транзистор требует запрещенной зоны, области значений энергии, которыми электрон в этом материале обладать не может. Без нее транзистор, что называется, не выключить. Увы, нормальный графен как проводник идеально анизотропен. Есть, конечно, дисульфид молибдена с естественной запрещенной зоной. Но он как раз находится в самом начале развития.

Как только запрещенную зону в графене ни пытались создать: и складывали несколько слоев в один "бутерброд", и комбинировали с разными пластиками, и самое разное допирование применяли. Но итог плачевен: нужна ширина запрещенной зоны хотя бы в один электронвольт (при комнатной температуре), иначе приличного транзистора не будет. Получаются же пока только сотни миллиэлектронвольт, да и то ценой огромных токов утечки.

Гуаньсюн Лю (Guanxiong Liu) вместе с коллегами по Калифорнийскому университету в Риверсайде (среди которых два выходца из России) попробовал обойти проблему отсутствия запрещенной зоны таким образом, чтобы создать транзистор с переключением состояний совершенно нового типа, передает Technology Review. Препринт исследования можно полистать здесь.

Когда материал полупроводникового типа находится в состоянии изолятора, его можно переключить в проводящее состояние, придав небольшое количество энергии. Эта энергетическая разница двух состояний и называется шириной запрещенной зоны. Но вместо создания искусственной запрещенной зоны путем допирования и прочих ухищрений исследователи попробовали использовать явление отрицательного сопротивления для переключения состояний графенового транзистора.

Но сначала о том, что это такое. Отрицательное дифференциальное сопротивление — это явление, при котором ток, входя в материал, вызывает в нем падение напряжения вместо его интуитивно ожидаемого роста. Графен в определенных условиях благодаря своей уникальной топологии действительно горазд на такую особенность. Экспериментальной демонстрации отрицательного сопротивления в нормальных условиях посвящена значительная часть этой работы.

Но почему бы, спросили себя исследователи, это падение напряжения не использовать как одно из рабочих состояний, переключаясь таким образом не между проводящим и изолирующим состояниями, как нормальный транзистор, а между проводящим состоянием и состоянием отрицательного сопротивления?

В предложенной ими схеме три полевых транзистора на графене собираются в логический вентиль XOR (либо). Особо отметим, что обычный вентиль такого типа требует минимум восемь кремниевых транзисторов (на CMOS) и работает не быстрее буквально десятка гигагерц. В то же время, как заявляют авторы схемы, их тип XOR-вентиля функционирует на 400 ГГц — впрочем, как и более ранние графеновые транзисторы с высокими токами утечки.

Схема предложенного вентиля на графеновых транзисторах

Итак, налицо схема куда более компактного и радикально более быстрого вентиля, нежели обычные. Причем не работающего на классическом принципе "изолятор — проводник", а эксплуатирующего отрицательную дифференциальную проводимость. Увы, герои нашей заметки за эту работу пока не взялись. Кому-то надо построить такой вентиль и испытать его — причем, как нам кажется, сделать это стоит побыстрее. Ибо на столь "горячем" направлении конкуренты не дремлют.