北大最新Nature創紀錄：世界上速度最快能耗最低的二維半導體晶體管
01、導讀
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（FET），柵極長度的縮放將停止在12 nm，最終電源電壓不會降至0.6 V以下。這定義了硅基芯片在縮放過程結束時的最終集成密度和功耗。近年來，具有原子級厚度的二維（2D）層狀半導體已被探索為潛在的溝道材料，以支持進一步的小型化和集成電子。然而，到目前為止，還沒有實驗結果表明，在0.7V的標準電源電壓（商用硅10nm節點中的電源電壓）下，基于2D半導體的FET的導通電流和跨導可以超過最先進的硅FET，基于2D半導體的FET的實驗結果仍然遠遠落后于理論預測，不足以顯示2D半導體的最終潛力。
02、成果掠影
在此，北京大學電子學院彭練矛院士、邱晨光研究員團隊設計報道了一種以高熱速度的2D硒化銦（InSe）作為溝道材料的FET，該FET在0.5V下工作，并實現了6 mSμm-1的創紀錄的高跨導和83%的飽和區室溫彈道比，超過了任何報道的硅FET。研究人員開發了一種釔摻雜誘導相變方法，用于與InSe進行歐姆接觸，并且InSe FET的溝道長度被縮小到10nm。該研究設計的InSe FET可以有效抑制短溝道效應，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。此外，在10nm彈道InSe FET中可靠地提取了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。
相關研究成果以“Ballistic two-dimensional InSe transistors”為題發表在國際頂級期刊Nature上。
03、核心創新點
1、該研究成功設計了一種以2D InSe作為溝道材料的FET，該FET在0.5V下工作，并實現了6 mSμm-1的創紀錄的高跨導和83%的飽和區室溫彈道比，創造了新紀錄。
2、開發了一種釔摻雜誘導相變方法，將InSe FET的溝道長度被縮小到10nm，相比于硅基FET的極限，該材料可有效抑制短溝道效應，并且有著更低的亞閾值擺動（SS）以及接觸電阻，呈現出非凡的性能表現。
04、數據概覽
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圖1?彈道InSe FETs的結構和電子特性???2023 Springer Nature Limited
（a）硅和典型二維半導體材料的熱速度和縮放長度；
（b）雙柵極InSe FET示意圖；
（c,d）透射電子顯微鏡圖像和電子能量損失光譜圖顯示了具有雙柵極結構的InSe FET的橫截面；
（e）Y-InSe系統中可能的摻雜或吸附構型的計算形成能。金色、藍色和紫色球體分別代表In、Se和Y原子。吸附情況：Y原子被吸收在InSe表面的中空位點（ads-H）頂部和In原子（ads-In）頂部。摻雜情況：Y原子被間隙捕獲在Se原子之間（Se原子間）、In原子之間（In原子間）和InSe原子之間（H原子間）；Y原子取代In原子和Se原子；
（f）計算了三層InSe和釔摻雜誘導的相變接觸區的能帶結構（其中Y原子被替代摻雜在InSe的頂層）。
（g）與獨立InSe相比，Y-InSe的XPS光譜的偏移（所有C1s峰在284.8eV處）；
（h）兩種類型的彈道裝置在VDS=0.1V時的傳輸特性，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（灰色曲線）的比較；
（i）釔摻雜誘導的相變接觸的示意性側視圖。純半導體InSe與半金屬Y-InSe的能帶排列；
（j）使用Y摻雜誘導相變接觸的典型10nm彈道InSe FET和直接使用傳統Ti/Au接觸的典型10 nm InSe FET的輸出特性；
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圖2?InSe場效應管的電子特性和總電阻???2023 Springer Nature Limited
（a,b）該研究的彈道2D InSe FET和其他2D短溝道FET的飽和輸出特性（具有最大柵極電壓）和總電阻比較；
（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。紅星是該研究代表性的10 nm溝道長度彈道InSe FET的總電阻，虛線是使用Landauer公式計算的InSe FETs的理論極限；
（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10nm彈道2D InSe FET在從300K到100K的各種溫度下的傳輸特性；
（f）該研究的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Ti/Au接觸器件（黃色）的轉移特性的亞閾值區域中似乎有兩個片段，對應于熱發射（TE）和熱場發射（TFE），這與先前報告中的40 nm WS2?FET一致。相比之下，該研究的歐姆接觸InSe FET（紅色）在整個亞閾值區域僅顯示出單一的熱發射過程；
（g）與肖特基接觸和歐姆接觸相關的帶隙示意圖；
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圖3 InSe、硅和InGaAs FET的基準測試???2023 Springer Nature Limited
（a）五種典型的彈道2D InSe FET（彩色點）、10nm節點硅FinFET（Intel，黑色實線）32和20nm LG InGaAs FinFET的傳輸特性比較，通過最先進的Fin Pitch=34nm（IBM，黑色虛線）進行歸一化。請注意，所有電流都使用相同的規則進行歸一化；
（b）五個典型彈道2D InSe FET的跨導比較，一個10nm節點硅FinFET（英特爾，黑色實線）和一個InGaAs FinFET；
（c,d）VDD=0.5 V時彈道2D InSe FET和VDD=1 V時LG低于50 nm的其他2D FET（VDD=VDS=VGS）的導通電流（ION）和峰值跨導比較。導通電流和峰值跨導值是從VDD電壓窗口和標準關斷電流為100 nAμm?1的傳輸特性中提取的；
（e）該研究的InSe FET與硅MOS FET的彈道比的基準，包括體硅FET、FinFET和雙柵極（DG）硅FET；
（f-h）與硅FET相比，該研究的彈道2D InSe FET的VDD、柵極延遲和EDP的縮放趨勢；
圖4?InSe FET和硅FinFET的短溝道效應比較?2023 Springer Nature Limited
（a）在漏極偏置VDS=0.1V（紫色）和0.5V（藍色）時具有10nm柵極長度的典型2D InSe FET的傳輸特性；
（b,c）SS和DIBL的縮放趨勢。紅星代表我們的10 nm柵極長度和20 nm柵極長度的彈道InSe FET。海藍寶石藍點表示Intel 10 nm節點、14 nm節點和22 nm節點FinFET。棕色圓點代表由GlobalFoundries（GF）和IBM聯合開發的7納米節點FinFET。粉紅色虛線和黑色虛線分別表示單層2D FET和硅FinFET的理論計算性能；
（d）典型的10nm節點硅FinFET和2D FET的橫截面示意圖。淺藍色和金色分別表示氧化物電極和柵極電極；
（e）具有20nm LG的三個彈道2D InSe FET的典型傳輸特性和已報道的最佳開關亞50-nm 2D FET；
（f）與其他低于50納米的短溝道2D FET相比，該研究的彈道2D InSe FET的SS與ID。實心點表示三個典型的彈道2D InSe FET，而空心點表示其他低于50-nm的2D FET；
05、成果啟示
綜上所述，該研究已經制造出具有歐姆接觸、高柵極效率和接近理想彈道比的超大規模高性能InSe FET，并證明其在0.5V的超低電壓下工作。這項工作首次證實，2D FET可以提供接近理論預測的實際性能，并且是未來?節點硅FET的有力競爭對手。
文獻鏈接：Ballistic two-dimensional InSe transistors，2023，https://doi.org/10.1038/s41586-023-05819-w）
本文由LWB供稿。
06、課題組介紹
彭練矛教授
中國科學院院士，北京大學電子學院院長。1994年獲首批國家杰出青年科學基金資助，1999年入選首屆教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授。長期從事碳基電子學領域的研究，做出一系列基礎性和開拓性貢獻。四次擔任國家“973計劃”、重大科學研究計劃和重點研發計劃項目首席科學家。在《科學》《自然》等期刊發表SCI論文400余篇。相關成果獲國家自然科學二等獎（2010和2016年）、高等學校科學研究優秀成果獎（科學技術）自然科學一等獎（2013年）、北京市科學技術一等獎（2004年），入選中國科學十大進展（2011年）、中國高等學校十大科技進展（2000和2017年）、中國基礎科學研究十大新聞（2000年）。個人獲何梁何利基金科學與技術進步獎（2018年）、全國創新爭先獎（2017年）、推動“北京創造”的十大科技人物（2015年）、全國優秀博士學位論文指導教師（2009年）、北京大學首屆十佳導師（2013年）等榮譽。
邱晨光研究員
北京大學電子學院研究員，“博雅青年學者”。 國家基金委“優青”（2021）、國家重點研發計劃青年首席科學家（2021）、KJW 173 JCJQ 首席科學家（2022）。從事納米電子器件方面研究，在Nature, Science, Nature Electronics, Nature Nanotechnology, ACS Nano, Nano Letters, IEDM等頂級國際期刊和會議上發表論文;?以第一作者和通訊作者在《科學》上發表論文兩篇，在《自然》上發表論文一篇。Science論文“5納米柵長碳納米管晶體管”實現了晶體管開關的量子極限，入選ESI高被引用論文和熱點論文，入選2017年中國高校十大科技進展，2017年中國100篇國際高影響論文。?Science論文“狄拉克冷源晶體管”首次在國際上提出并實現冷源亞60超低功耗新器件機制，拓寬了超低功耗器件領域范圍，入選2018全國科創中心重大標志性原創成果。Nature論文“彈道InSe晶體管”研制出世界上迄今彈道率最高、速度最快、功耗最低的二維晶體管，性能超過硅基極限。
姜建峰
北京大學電子學院博士研究生，師從彭練矛教授與邱晨光研究員。從事二維電子器件的極限性能的探索與器件物理研究，致力于開發超越硅基極限的后摩爾新型電子技術。在Nature，Nano Letters等國際知名雜志上以第一作者身份發表論文九篇，博士期間針對二維電子學領域的關鍵科學瓶頸和底層科學問題進行攻關，實現了近彈道輸運的高速二維晶體管，性能和功耗均優于商用硅基先進技術節點。曾獲省級優秀畢業生、研究生“校長獎”、研究生國家獎學金等榮譽。
徐琳博士
香港大學研究助理教授。2020年于北京大學信息科學技術學院取得理學博士學位。從事后摩爾未來節點納米器件結構和物理研究，以及鋰離子電池電化學模型研發。在Nature，Science，Nature Electronics，Nature Communication，Science Advance，IEEE Transactions on Electron Device，Applied Physics Letters，IEDM等國際知名雜志和會議上發表學術成果四十余篇。系統研究了低維材料器件的建模方法，包括緊湊模型、TCAD數值模擬及基于密度泛函的第一性原理計算。利用緊湊模型首次研究頂柵碳納米管器件彈道率，在理論上證明了狄拉克源具有跨導增強的特性，利用TCAD數值模擬設計新型抑制雙極性輸運器件結構，基于第一性原理系統研究了二維材料的去釘扎歐姆接觸和器件性能極限等若干關鍵科學問題，專注于探索后摩爾先進節點器件的底層物理。
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