北京大學：彈道二維硒化銦InSe晶體管

一、 【導讀】?

? ? ? ?近年來，硅基器件的速度和功耗逼近了物理極限,這都要歸因于晶體管尺寸不斷減小以及短溝道效應的日益加重。因此需要尋找新型的溝道材料,以同時滿足對未來集成電路低功耗和高性能的要求。尋找一種極具應用潛力的溝道材料，二維(2D)材料憑借其原子級厚度與平整度、優異的電學性能在一眾備選材料中脫穎而出。其中,室溫下具有高遷移率的硒化銦(InSe)成為研究熱點。

二、【成果掠影】

? ? ? ? 具有原子尺度厚度的二維(2D)層狀半導體被探索為支持進一步小型化和集成電子的潛在通道材料。然而，到目前為止，還沒有基于半導體的2D fet表現出可以超越最先進的硅場效應晶體管(FETs)的性能。國際器件與系統路線圖(IRDS)預測，對于硅基金屬氧化物半導體(MOS)場效應晶體管(FETs)，柵極長度的縮放將停止在12納米，最終電源電壓將不會下降到小于0.6 V。這要求了硅基芯片在縮放過程結束時的最終集成密度和功耗。北京大學電子學院納米器件物理與化學重點實驗室和碳基電子研究中心的邱晨光和彭練矛，報道了一種以2D硒化銦(InSe)為通道材料的高熱速場效應晶體管，在0.5 V下工作，實現了6 mS μm^?1的高跨導和飽和區83%的室溫彈道比，超過了任何已報道的硅場效應晶體管。以題目為：“Ballistic two-dimensional InSe transistors”，發表在Nature上。

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?三、【核心創新點】

1.提出了一種摻雜釔誘導的與銦硒場效應晶體管進行歐姆接觸的相變方法，并將銦硒場效應晶體管的溝道長度縮小到10 nm。

2.InSe FETs可以有效抑制短通道效應，其低亞閾值擺動(SS)為每十年75 mV，漏極誘導的勢壘降低(DIBL)為22 mV V?1。

3.在10 nm彈道InSe FETs中提取了62 Ω μm的低接觸電阻，導致了更小的內在延遲和更低的能量延遲積(EDP)，遠低于預測的硅極限。

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?四、【數據概覽】

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圖1? 彈道InSe fet的結構和電子特性。a，硅和典型二維半導體材料中的熱速度和尺度長度。b，雙柵InSe場效應晶體管的原理圖。c,d，顯示雙柵結構InSe場效應晶體管截面的透射電子顯微鏡圖像和電子能量損失譜圖。e，計算Y-InSe體系中可能摻雜或吸附構型的形成能。f，計算得到三層InSe的能帶結構和釔摻雜誘導的相變接觸區(其中Y原子在InSe的頂層被取代摻雜)。g, Y-InSe與獨立InSe相比XPS譜的位移(均為C 1s峰，284.8 eV)。AU，任意單位。h，兩種彈道裝置的傳遞特性VDS = 0.1 V，包括Y-InSe通道(紫色曲線)、純InSe通道(橙色曲線)以及與1 nm Y通道的比較(灰色曲線)。i，摻釔誘導相變接觸示意圖側視圖。純半導體InSe與半金屬Y-InSe的帶向比對。CBM，導帶最小值;VBM，價帶最大值;vdW，范德瓦爾斯。j，采用y摻雜誘導相變接觸的典型10 nm彈道InSe FET和直接采用傳統Ti/Au接觸的典型10 nm InSe FET的輸出特性。采用y摻雜(y -摻雜)誘導相變接觸的彈道InSe場效應管的總電阻約為124 Ω μm。? ?2023 Nature

圖2 InSe FETs的電子特性及總電阻。a,b，飽和輸出特性(最大門電壓)和彈道2D InSe FETs和其他2D短通道FETs的總電阻比較。c，在一些有代表性的報告中對總電阻與載流子密度ns進行基準測試。d，晶體管中與溫度相關的擴散和彈道傳輸模式示意圖。e，典型的10納米彈道2D InSe場效應晶體管在不同溫度范圍從300 K到100 K的傳輸特性。f，具有歐姆接觸的彈道2D InSe FET (Y/Ti/Au，紅色)和具有未優化的正常肖特基接觸的彈道2D InSe FET (Ti/Au，黃色)的典型傳輸特性。在轉移的閾下區域似乎有兩個段Ti/ au接觸器件(黃色)的特性，對應熱發射(TE)和熱場發射(TFE)。g，肖特基接觸和歐姆接觸的能帶示意圖。 ?2023 Nature

圖3? 對標InSe，硅和InGaAs FET。a、傳遞特性比較五個典型的彈道。b, 5個典型的彈道2D InSe FET的跨導比較，a，一個10納米節點的硅FinFET (Intel，黑線實線)和一個InGaAs FinFET (IBM，黑線虛線)。c d通路狀態VDD = 0.5 V時彈道2D InSe FET的電流(ION)和峰跨導比較以及VDD = 1 V時LG在50 nm以下的其他2D FET (VDD = VDS = VGS)8,23 - 26。從VDD電壓窗口的傳輸特性中提取通態電流和峰值跨導值，標準關態電流為100 nA μm^?1。e，本文的InSe FET的彈道比基準與硅MOS FETs相比較。f-h，與硅FET相比，本文的彈道2D InSe FET的VDD、柵極延遲和EDP(含寄生電容)的縮放趨勢。 ?2023 Nature

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圖4? InSe FET與硅FINFETs的短通道效應比較。a，典型的2D InSe場效應晶體管在漏極偏置VDS = 0.1 V(紫色)和0.5 V(藍色)時的傳輸特性，柵極長度為10 nm。b,c, SS和DIBL的標度趨勢。d，典型的10納米節點硅FinFET和2D FET的截面示意圖。淺藍色和金色分別代表氧化物電極和柵電極。e，三種具有20 nm LG和報道的最佳開關子50 nm 2D FETs的彈道2D InSe FET的典型傳輸特性。最高飽和電流(紅色)為1.35 mA μm^?1。f，我們的彈道2D InSe FET與其他低于50納米的短通道2D FET相比的SS與ID。?2023 Nature

五、【成果啟示】

? ? ? ?通過模擬三種結構的電輸運單后柵晶體管，單頂柵晶體管和雙柵晶體管，在三種結構中，雙柵晶體管具有最高的導通電流和最小的SS，具有最好的場調制。摻雜接觸時，單后門場效應晶體管的開態電流略好于單頂門場效應晶體管。另一方面，單后門晶體管比單頂門晶體管表現出更好的SS。這可以理解為，增加間隔寬度可以有利于后門結構的實際門調制。其次，在實驗中制作了新型的InSe FETs 單頂門結構和單后門結構增加了額外的頂門，構成雙門結構。實測電學特性與仿真結果有相似的趨勢:雙柵結構的開關性能最好。為了進一步探究單柵和雙柵結構之間的確切區別，在新的雙柵器件的制備過程中，增加了一個中間步驟來測量單后柵結構的特性。這種經典的比較研究方法也被用于比較雙門和單門WS₂ FETs之間的通斷行為。通過測量表明，雙柵場效應晶體管與單后柵場效應晶體管相比，提高了約三分之一的導通電流，雙柵場效應晶體管的SS被推到接近理論極限(10納米每十年約78 mV, 20納米每十年約63 mV)。這與模擬的趨勢相一致，即雙柵結構在抑制短通道效應方面比單柵更有效。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05819-w

本文由金爵供稿