晶体管尺寸的不断缩小是当今信息技术成功发展的关键。然而，随着摩尔定律因功耗增加而达到极限，迫切需要开发新的替代晶体管设计。

　　随着晶体管尺寸的进一步微缩，降低开关和待机功耗，就必须克服亚阈值摆幅的热电子极限，即亚阈值范围内每十倍电流增加所需的电压。为了减少MOS 电路的开关和待机功率，降低晶体管的亚阈值摆幅至关重要。

　　然而，由于热载流子注入的影响，CMOS 晶体管中存在 60 mV/dec 的固有亚阈值摆幅极限。 《国际器件与系统路线图》预测，将来需采用CMOS以外的新材料新结构来应对晶体管的缩放挑战。可替代场效应晶体管（Alternative tunnel field-effect transistors，TFET）被认为可以作为 CMOS 晶体管的主要替代物，因为 TFET 的亚阈值摆幅可降低至 60 mV/dec 以下。TFET 的运行通过量子隧穿实现，不会像 CMOS 晶体管一样因热注入而限制亚阈值摆幅。

　　特别是，异质结 TFET 在低亚阈值摆幅和高导通电流方面具有重要的应用前景。高导通电流对晶体管的快速运行至关重要，因为低电流条件下将器件充电到开启状态需要更长的时间。与理论预期不同的是，由于异质结中的界面问题，先前开发的异质结 TFET 显示出比 CMOS 晶体管低 100-100000 倍的通态电流(100-100000 倍的运行速度)。界面问题阻碍了低功耗 TFET 替代 CMOS 晶体管。

　　韩国科学技术学院物理系教授 Sungjae Cho 领导的研究小组开发出了一种厚度可控的黑磷隧道场效应晶体管(TFET)，具有天然的异质结隧道场效应晶体管，其黑磷层厚度可随空间变化而不存在界面问题。该 TFET 在高导通电流下创造了最低的平均亚阈值摆幅，使得 TFET 能够像传统的 CMOS 晶体管一样快速工作，并且具有更低功耗。该 TFET 的开关功耗比传统互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管低 10 倍，待机功耗低 10000 倍。研究小组表示，该黑磷隧道场效应晶体管能够取代传统 CMOS 晶体管，特别是解决了隧道场效应晶体管运行速度和性能问题，为延续摩尔定律铺平了道路。

图 1 两种制备的黑鳞 NHJ-TFET在| VD |≤0.7V下的黑鳞能带特性和传输曲线

　　该研究成果发表在《Nature Nanotechnology》 ，Publication: 27 January 2020,15：203–206，题目： “Thickness-controlled black phosphorus tunnel field-effect　transistor for low-power switches” 。

　　摘译自：

　　https://www.nature.com/articles/s41565-019-0623-7　

　　https://www.sohu.com/a/375740709_313834