Пока это только схема, но, кажется, её реализация позволит создать графеновые транзисторы, не ломая присущие этому материалу особенности об колено, а, напротив, используя их для производства более эффективной электроники.

Все помнят ситуацию с графеном? Десять лет отчаянной борьбы на переднем крае науки, а одно из главных обещанных достижений — графеновые транзисторы — пока скорее теория, чем практика.

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

Как только запрещённую 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 запрещённой 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.

Рис. 1. 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 et al).

Гуаньсюн Лю (Guanxiong Liu) вместе с коллегами по Калифорнийскому университету в Риверсайде (среди которых два выходца из России) попробовал обойти проблему отсутствия запрещённой зоны таким образом, чтобы создать транзистор с переключением состояний совершенно нового типа.

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 запрещённой зоны. Но вместо создания искусственной запрещённой зоны путём 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 нём падение напряжения вместо его интуитивно ожидаемого роста.

Графен в определённых 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.

Рис. 2. Схема предложенного вентиля на графеновых транзисторах.

Итак, налицо схема куда более компактного и радикально более быстрого вентиля, нежели обычные. Причём 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 — причём, как нам кажется, сделать это стоит побыстрее. Ибо на столь «горячем» направлении конкуренты не дремлют.

Препринт исследования можно полистать здесь здесь.