Homojunction-loaded inverters based on self-biased molybdenum disulfide transistors for sub-picowatt computing

同质结 二硫化钼 CMOS芯片 材料科学 晶体管 逆变器 光电子学 逻辑门 噪声裕度 NMOS逻辑 电气工程 电子工程 电压 工程类 异质结 冶金
作者
Xiaofu Wei,Xiankun Zhang,Huihui Yu,Gao Li,Wenhui Tang,Mengyu Hong,Zhangyi Chen,Zhuo Kang,Zheng Zhang,Yue Zhang
出处
期刊:Nature electronics [Springer Nature]
卷期号:7 (2): 138-146 被引量:47
标识
DOI:10.1038/s41928-023-01112-w
摘要

As transistors are scaled to smaller dimensions, their static power increases. Combining two-dimensional (2D) channel materials with complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) logic architectures could be an effective solution to this issue because of the excellent field-effect properties of 2D materials. However, 2D materials have limited polarity control. Here we report a pseudo-CMOS architecture for sub-picowatt logic computing that uses self-biased molybdenum disulfide transistors. The transistors have a gapped channel that forms a tunable barrier—thus circumventing the polarity control of 2D materials—and exhibit a reverse-saturation current below 1 pA with high reliability and endurance. We use the devices to make homojunction-loaded inverters with good rail-to-rail operation at a switching threshold voltage of around 0.5 V, a static power of a few picowatts, a dynamic delay time of around 200 µs, a noise margin of more than 90% and a peak voltage gain of 241. We also fabricate fundamental gate circuits on the basis of this pseudo-CMOS configuration by cascading several devices. An inverter that uses a self-biased molybdenum disulfide homojunction as the load and n-type transistor as the driver can exhibit lower static power than complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) or pseudo-n-type metal–oxide–semiconductor (NMOS) architectures.
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