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高性能α相砷烯场效应晶体管的第一性原理研究

2020-08-31

随着半导体器件的尺寸微缩至10 nm以下,传统的硅基场效应晶体管的性能将受到短沟道效应的严重影响。二维材料由于其具有原子级厚度和光滑平整的表面,可以极大地提高晶体管的栅控能力和载流子的传输能力,为后摩尔时代晶体管的进一步微型化提供了新的契机。如今,二维材料场效应晶体管已经取得显著的研究进展,但是器件性能并不能完全令人满意。例如,石墨烯虽然具有极高的迁移率和开态电流,然而其零带隙的特点导致晶体管的开关性能很差;二硫化钼晶体管虽然表现出优异的开关特性,但是较低的开态电流难以满足高性能器件应用。最近,已经被合成出来的第五主族单元素二维材料砷烯由于优异的电子性质,如面内各向异性和高载流子迁移率,吸引了研究人员的广泛关注,特别是在电子器件应用上展现出很大的潜力。

鉴于此,南京理工大学曾海波课题组张胜利教授通过密度泛函理论结合非平衡格林函数研究了在亚10 nm尺度下第五主族α相砷烯双栅场效应晶体管的器件性能,并分析了砷烯各向异性的电子性质和其弹道量子输运特性之间的内在物理关联。当沟道长度为10 nm时,砷烯晶体管均可满足高性能电子器件的需求。特别的是,沿之字形作为传输方向时,较大的载流子有效质量可以有效抑制源-漏隧穿,使得砷烯晶体管具有更好的开关特性,其沟道长度极限可以达到7 nm。另外,通过对32位算术逻辑单元电路的基准测试显示出10 nm砷烯晶体管可以与CMOS技术和其他CMOS替代者相媲美。该工作表明砷烯在亚10 nm节点的高性能电子器件中有巨大的发展潜力。

图1.(a)沿扶手椅和(c)之字形方向的双栅砷烯场效应晶体管的示意图;沟道长度为3-10 nm时,沿(b)扶手椅和(d)之字形方向的砷烯n和p型场效应晶体管的传输特性曲线。

First-principle study of puckered arsenene MOSFET

Hengze Qu, Ziwei Lin, Ruijuan Guo, Xiyu Ming, Wenhan Zhou, Shiying Guo, Xiufeng Song, Shengli Zhang, Haibo Zeng

J. Semicond. 2020, 41(8): 082006

doi: 10.1088/1674-4926/41/8/082006

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/41/8/082006?pageType=en



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