Adv. Mater.:二維范德華異質結構的新機遇：制作陡坡晶體管

【引言】

近年來，金屬冷源（CS）被認為是實現陡坡場效應晶體管（FET）的有效途徑。除了選擇具有所需態密度-能量關系（D(E)）的源材料外，設計柵可調溝道勢壘的源-溝道界面對CS-FET至關重要。然而，由于不可避免的化學無序和缺陷誘導的帶隙態，傳統的金屬：半導體（MS）界面通常遭受強費米爾釘扎，從而限制了柵的可調控性

【研究簡介】

近日，清華大學精密儀器系李黃龍副教授（通訊作者）及其博士后呂娟（第一作者）在Adv. Mater.上發表了一篇題目為“A New Opportunity for 2D van der Waals Heterostructures: Making Steep-Slope Transistors”的研究成果。該研究通過在原子尺度上對材料和器件進行綜合建模，發現二維van der Waals（vdW）MS界面以其原子級的銳度和非化學鍵接觸可以作為CS-FET的一般成分。作為測試案例，研究了基于InSe的n型場效應晶體管。研究發現，石墨烯可以通過與InSe的界面作用，在Dirac點附近出現自發的p型摻雜和微開的帶隙，導致熱載流子密度隨n型溝道勢壘的增加呈指數衰減。此外，D(E)關系表明，2D過渡金屬二硫化物和2D過渡金屬碳化物是豐富的CS材料庫。石墨烯、Cd₃C₂、T-VTe₂、H-VTe₂和H-TaTe₂ CSs導致低于60 mV dec^-1的閾下擺動。這項工作拓寬了2D-vdW-MS異質結構的應用潛力，為進一步研究基于2D材料的低功耗電子器件提供了支持。

【圖文簡介】

圖1 石墨烯CS-FET模型

a）n型InSe基石墨烯CS-FET的側視圖。等效氧化物厚度（EOT＝0.54 nm）、柵極長度（L＝7.8 nm）和電源電壓（VSD＝0.74 V）根據2021國際半導體技術路線圖（ITRS）對高性能晶體管進行參數化；

b）InSe的能帶結構：石墨烯異質結。石墨烯和InSe的電子態分別用紅色和黑色曲線表示。費米能量設為零。插圖顯示了松弛的原子結構，黃色、粉色和灰色的球分別代表In、Se和C原子；

c）有或無石墨烯源的InSe基場效應晶體管的傳輸特性。

圖2 第一性原理計算（DOS）

a-b) DOS沿傳輸方向投射到石墨烯CS-FET上，用于a）開態和b）關態器件；

c）通斷狀態下的傳輸頻譜；

d）投射到石墨烯源的原子劑量，溝道中的InSe和漏極中的InSe，用于開關狀態器件；

e）放大能量區的DOS（e）和n（e），在該區域附近出現SS=51 mV dec-1的最陡斜率。

圖3 DOS和載流子分布圖

a）Zn₃C₂，b）Hg₃C₂，c）Cd₃C₂，d）T-VTe₂，E）H-VTe₂和f）H-TaTe2的DOS（E）和n（E）關系。

圖4 InSe/T-VTe₂異質結能帶結構和傳輸特性曲線

a）InSe/T-VTe₂異質結的能帶結構。由單層InSe和T-VTe₂貢獻的電子態分別用黑線和灰線標記。插圖顯示了松弛的原子結構，綠色和橙色的球分別代表V原子和Te原子；

b）帶和不帶T-VTe₂源的CS-FET的傳輸特性。

圖5 器件工作狀態下能帶分析

a-b）T-VTe₂ CS-FET的PLDOS，a）開狀態和b）關狀態；

c）通斷狀態下傳輸頻譜的比較；

d）分別以T-VTe₂為源，InSe為溝道，InSe為溝道，InSe為溝道；

e）放大能量區的DOS（e）和n（e），在該區域附近，SS=57 mV dec^-1的最陡斜率出現。

【小結】

本文研究了二維vdW-MS異質結在超陡亞閾值擺幅CS-FET中的應用潛力。根據DOS（E）關系和各種二維金屬材料（如石墨烯、所選TMDs和MXenes）層間相互作用的非化學性質，作者預期了大量的二維vdW材料可以用作所需的CS材料。作為測試案例，研究者研究了具有原始石墨烯、摻雜石墨烯、Cd₃C₂、T-VTe₂、H-VTe₂和H-TaTe₂ CSs的高遷移率單層InSe基n型場效應晶體管。這些FET顯示低于60 mV dec^-1的低SS值。熱尾效應對關斷電流的抑制主要歸因于柵極可調諧溝道勢壘以及n（E）的超指數下降。陡坡、低關斷電流和大電流CS-FET的DOS工程，以及探索實現CS-FET金屬-半導體異質結多晶集成的材料可能是未來的關鍵研究機會。這項工作為基于二維材料的低功耗電子器件提供了新的機遇。

文獻鏈接：A New Opportunity for 2D van der Waals Heterostructures: Making Steep-Slope Transistors, 2019, Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201906000.

清華大學精密儀器系李黃龍副教授團隊致力于低功耗、高速度、新架構芯片的元器件和材料研究，近年來在神經形態器件（Truly Concomitant and Independently Expressed Short‐ and Long‐Term Plasticity in a Bi₂O₂Se‐Based Three‐Terminal Memristor, Adv. Mater. 2019, 31, 1805769)和超陡亞閾值擺幅晶體管(A New Opportunity for 2D van der Waals Heterostructures: Making Steep-Slope Transistors, Adv. Mater. 2019,1906000)方面取得重要的階段性突破。課題組常年招聘實驗（神經形態微納電子器件、基于二維材料的電子器件、非易失存儲器等）和理論（使用ATK, CASTEP, VASP等對電子器件和電子材料進行研究）方向的優秀博士后和參與研究訓練的本科生，以及實驗方向的博士生、聯培生。