亚5纳米二维陡坡晶体管的电极优化设计

20240114

科学研究和技术服务业

对于TFET，利用同质结做电极提升开态电流，目前实验上已制备出基于黑磷烯的同质结TFET，验证了能隙更低的多层黑磷烯做电极可以有效的提升TFET法人开态电流。我们预测的基于SnS的同质结TFET，GeS异质结TFET，GeSe异质结TFET，和SnSe2异质结TFET，可以利用类似的方法制备出来，其中异质结电极可以利用转移的方法得到。对于MOSFET，目前主要的限制为基于二维材料的有效的电荷掺杂手段。目前实验上，可以利用静电控制实现电极的n型和p型掺杂。目前尚缺少二维MOSFET的实验报道。我们预测的二维MOSFET可以看成是二维传统晶体管的理论极限。目前实验上，多采用金属电极制备二维晶体管，即SBFET。近1-2年，通过采用二维金属电极、半金属电极、和半导体金属相变电极，实现了超低接触电阻的欧姆接触。我们预测的BP SBFET，可以利用类似的方法制备出来。但目前主要难点是单层磷化硼的实验制备。我们的研究对今后二维TFET、MOSFET、和SBFET的理论和实验工作有一定的促进和指导作用，但目前还不具备技术转让条件。

基于二维材料的晶体管是很有潜力的后摩尔时代的电子器件，但二维半导体距离其芯片集成化应用还有很多问题有待解决。从材料生长到制备出圆晶级材料，单个晶体管优化工艺（如超短沟道、欧姆接触电极、和介电层生长），集成工艺，封装工艺等等。目前发展最成熟的是MoS2，但MoS2做沟道并不理想，如其载流子迁移率不高，制备出的材料天然n型等。我们的工作，一是预测了新的沟道材料，二是新的电极材料，三是考虑了新的传输原理。但我们对二维晶体管的研究是理论基础研究，目前第一步是实验室的实现。

仅限国内转让

晶体管是芯片的基本单元，芯片是现代信息技术的基石。目前的硅基工艺难以为继，最新版的国际器件和系统路线图（IRDS）关于延续摩尔的规划，已把二维材料列为唯一的继承硅延续摩尔定律在1 nm以后节点的材料。目前半导体行业大厂，如台积电，英特尔，欧洲微电子中心，三星半导体等已开始二维半导体工业布局。二维半导体行业前景光明，转化收益难以估量。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

降低集成电路芯片的功耗对于新兴的信息产业如物联网、人工智能和 5G 等关键领域的发展至关重要。然而随着传统的硅晶体管的尺寸接近理论极限，由于严重的短沟道效应导致摩尔定律预测的晶体管尺寸的缩小带来器件性能的提升变得越来越困难。目前硅基节点的推进主要依靠更加立体的鳍式晶体管FinFET甚至环绕栅极晶体管GAAFET架构保证单位面积芯片的晶体管数量的增加。但是更密集晶体管阵列，会带来严重的热耗散问题。另外，为保证器件足够高的电流和足够快的速度，传统晶体管的工作电压在0.7 V之后难以继续降低，这是由其热激发输运机制决定的（即玻尔兹曼限制：亚阈值摆幅SS不低于60 mV/dec）。这意味着提升集成电路的性能会带来越来越严重的功耗问题。传统CMOS器件功耗极限的存在使得当前集成电路的发展趋势已由追求性能和集成度提升为主转变成以降低功耗为主的后摩尔时代。后摩尔时代微电子器件发展的关键是材料和技术的创新，包括新的器件原理、新的沟道材料、新的电极材料、和新的接触方式等。基于二维材料的晶体管是继硅之后的后摩尔时代的电子器件材料。本课题考虑了不同二维沟道材料，电极材料，并考虑了3种器件传输机制，即隧穿场效应晶体管（TFET），金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），和肖特基势垒场效应晶体管(SBFET)。主要成果有：（1）通过改善二维TFET电极材料，有效的提升了其开态电流，使其能达到国际器件和系统路线图（IRDS）对低能耗和高性能器件的要求。我们通过态密度、能带、局域器件密度等分析，发现了3种提升开态电流的机制，分别为降低沟道的隧穿势垒，提升电极的态密度，和提供新的带带传输路径。（2）探寻二维MOSFET新的沟道材料及其尺度极限，找到了能在亚5 nm物理门长甚至亚3 nm门长满足国际器件和系统路线图（IRDS）对低能耗或高性能器件的要求的新材料。特别是我们找到了3种n型器件超过大多数二维MOSFET的材料，即单层SnSe2，单层AlN，和单层GaN。找到了2种n型和p型器件表现均衡的材料，即单层BP和BAs，这有利于逻辑集成电路的发展。我们通过有效质量、能带、态密度、特征长度、局域器件密度等分析，提供了找寻二维MOSFET沟道材料的预判思路。（3）探寻能形成欧姆接触的电极材料，改善二维SBFET电极接触。使n型和p型的单层BP SBFET都能达到国际器件和系统路线图（IRDS）对高性能器件的要求。通过界面相互作用、功函数、能带、局域器件密度等分析，提供了找寻二维SBFET沟道材料的预判思路。我们的研究对今后TFET、MOSFET、和SBFET的理论和实验工作有一定的促进和指导作用，为3 nm技术节点之后，后摩尔时代集成电路的发展提供参考。