次世代3Dトランジスタがエネルギー効率の高い電子機器を変革(Next-Gen 3D Transistors Transform Energy-Efficient Electronics)

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2025-03-19 カリフォルニア大学サンタバーバラ校 (UCSB)

カリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)の研究者たちは、二次元(2D)半導体を用いた新しい三次元(3D)トランジスタ「NXFET」を開発し、エネルギー効率と性能の大幅な向上を実現しました。 従来のシリコンベースのトランジスタは、微細化が進むにつれて短チャネル効果による性能劣化や電力消費の増加が課題となっていました。これに対し、UCSBのチームは、2D半導体の特性を活かし、ゲートオールアラウンド(GAA)構造を持つ3Dトランジスタを設計。これにより、数ナノメートルのチャネル長でも高い性能とエネルギー効率を維持することが可能となりました。この技術は、コンピューティングや人工知能分野でのさらなる進歩を支える基盤となることが期待されています。

<関連情報>

将来のCMOS微細化のための2次元半導体を用いた3次元トランジスタ Three-dimensional transistors with two-dimensional semiconductors for future CMOS scaling

Arnab Pal,Tanmay Chavan,Jacob Jabbour,Wei Cao & Kaustav Banerjee
Nature Electronics  Published:16 December 2024
DOI:https://doi.org/10.1038/s41928-024-01289-8

次世代3Dトランジスタがエネルギー効率の高い電子機器を変革(Next-Gen 3D Transistors Transform Energy-Efficient Electronics)

Abstract

Atomically thin two-dimensional (2D) semiconductors—particularly transition metal dichalcogenides—are potential channel materials for post-silicon complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) field-effect transistors. However, their application in CMOS technology will require implementation in three-dimensional (3D) transistors. Here we report a framework for designing scaled 3D transistors using 2D semiconductors. Our approach is based on non-equilibrium Green’s function quantum transport simulations that incorporate the effects of non-ideal Schottky contacts and inclusive capacitance calculations, with material inputs derived from density functional theory simulations. A comparative performance analysis of different 3D transistors (2D and silicon based) and channel thicknesses is carried out for both low-standby-power and high-performance applications. This suggests that trilayer tungsten disulfide is the most promising material, offering an improvement in energy–delay product of over 55% compared with silicon counterparts, potentially extending CMOS scaling down to a few nanometres. We also show that 2D semiconductors could be uniquely engineered to create 2D nanoplate field-effect transistors that offer nearly tenfold improvement in integration density and drive current over both 2D- and silicon-based 3D field-effect transistors with similar footprints.

0403電子応用
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