超越硅基芯片极限 北京大学最新Nature!

一、 【导读】

近年来，硅基器件的速度和功耗逼近了物理极限,这都要归因于晶体管尺寸不断减小以及短沟道效应的日益加重。因此需要寻找新型的沟道材料,以同时满足对未来集成电路低功耗和高性能的要求。寻找一种极具应用潜力的沟道材料，二维(2D)材料凭借其原子级厚度与平整度、优异的电学性能在一众备选材料中脱颖而出。其中,室温下具有高迁移率的硒化铟(InSe)成为研究热点。

二、【成果掠影】

具有原子尺度厚度的二维(2D)层状半导体被探索为支持进一步小型化和集成电子的潜在通道材料。然而，到目前为止，还没有基于半导体的2D fet表现出可以超越最先进的硅场效应晶体管(FETs)的性能。国际器件与系统路线图(IRDS)预测，对于硅基金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管(FETs)，栅极长度的缩放将停止在12纳米，最终电源电压将不会下降到小于0.6 V。这要求了硅基芯片在缩放过程结束时的最终集成密度和功耗。北京大学电子学院纳米器件物理与化学重点实验室和碳基电子研究中心的彭练矛院士、邱晨光研究员带领团队报道了一种以2D硒化铟(InSe)为通道材料的高热速场效应晶体管，在0.5 V下工作，实现了6 mS μm⁻¹的高跨导和饱和区83%的室温弹道比，超过了任何已报道的硅场效应晶体管。以题目为：“Ballistic two-dimensional InSe transistors”，发表在Nature上。

三、【核心创新点】

1.提出了一种掺杂钇诱导的与铟硒场效应晶体管进行欧姆接触的相变方法，并将铟硒场效应晶体管的沟道长度缩小到10 nm。

2.InSe FETs可以有效抑制短通道效应，其低亚阈值摆动(SS)为每十年75 mV，漏极诱导的势垒降低(DIBL)为22 mV V−1。

3.在10 nm弹道InSe FETs中提取了62 Ω μm的低接触电阻，导致了更小的内在延迟和更低的能量延迟积(EDP)，远低于预测的硅极限。

四、【数据概览】

图1  弹道InSe fet的结构和电子特性。

a，硅和典型二维半导体材料中的热速度和尺度长度。b，双栅InSe场效应晶体管的原理图。c,d，显示双栅结构InSe场效应晶体管截面的透射电子显微镜图像和电子能量损失谱图。e，计算Y-InSe体系中可能掺杂或吸附构型的形成能。f，计算得到三层InSe的能带结构和钇掺杂诱导的相变接触区(其中Y原子在InSe的顶层被取代掺杂)。g, Y-InSe与独立InSe相比XPS谱的位移(均为C 1s峰，284.8 eV)。AU，任意单位。h，两种弹道装置的传递特性VDS = 0.1 V，包括Y-InSe通道(紫色曲线)、纯InSe通道(橙色曲线)以及与1 nm Y通道的比较(灰色曲线)。i，掺钇诱导相变接触示意图侧视图。纯半导体InSe与半金属Y-InSe的带向比对。CBM，导带最小值;VBM，价带最大值;vdW，范德瓦尔斯。j，采用y掺杂诱导相变接触的典型10 nm弹道InSe FET和直接采用传统Ti/Au接触的典型10 nm InSe FET的输出特性。采用y掺杂(y -掺杂)诱导相变接触的弹道InSe场效应管的总电阻约为124 Ω μm。  ©2023 Nature

图2 InSe FETs的电子特性及总电阻。

a,b，饱和输出特性(最大门电压)和弹道2D InSe FETs和其他2D短通道FETs的总电阻比较。c，在一些有代表性的报告中对总电阻与载流子密度ns进行基准测试。d，晶体管中与温度相关的扩散和弹道传输模式示意图。e，典型的10纳米弹道2D InSe场效应晶体管在不同温度范围从300 K到100 K的传输特性。f，具有欧姆接触的弹道2D InSe FET (Y/Ti/Au，红色)和具有未优化的正常肖特基接触的弹道2D InSe FET (Ti/Au，黄色)的典型传输特性。在转移的阈下区域似乎有两个段Ti/ au接触器件(黄色)的特性，对应热发射(TE)和热场发射(TFE)。g，肖特基接触和欧姆接触的能带示意图。 ©2023 Nature

图3  对标InSe，硅和InGaAs FET。

a、传递特性比较五个典型的弹道。b, 5个典型的弹道2D InSe FET的跨导比较，a，一个10纳米节点的硅FinFET (Intel，黑线实线)和一个InGaAs FinFET (IBM，黑线虚线)。c d通路状态VDD = 0.5 V时弹道2D InSe FET的电流(ION)和峰跨导比较以及VDD = 1 V时LG在50 nm以下的其他2D FET (VDD = VDS = VGS)8,23 - 26。从VDD电压窗口的传输特性中提取通态电流和峰值跨导值，标准关态电流为100 nA μm⁻¹。e，本文的InSe FET的弹道比基准与硅MOS FETs相比较。f-h，与硅FET相比，本文的弹道2D InSe FET的VDD、栅极延迟和EDP(含寄生电容)的缩放趋势。 ©2023 Nature

图4  InSe FET与硅FINFETs的短通道效应比较。

a，典型的2D InSe场效应晶体管在漏极偏置VDS = 0.1 V(紫色)和0.5 V(蓝色)时的传输特性，栅极长度为10 nm。b,c, SS和DIBL的标度趋势。d，典型的10纳米节点硅FinFET和2D FET的截面示意图。浅蓝色和金色分别代表氧化物电极和栅电极。e，三种具有20 nm LG和报道的最佳开关子50 nm 2D FETs的弹道2D InSe FET的典型传输特性。最高饱和电流(红色)为1.35 mA μm⁻¹。f，我们的弹道2D InSe FET与其他低于50纳米的短通道2D FET相比的SS与ID。©2023 Nature

五、【成果启示】

通过模拟三种结构的电输运单后栅晶体管，单顶栅晶体管和双栅晶体管，在三种结构中，双栅晶体管具有最高的导通电流和最小的SS，具有最好的场调制。掺杂接触时，单后门场效应晶体管的开态电流略好于单顶门场效应晶体管。另一方面，单后门晶体管比单顶门晶体管表现出更好的SS。这可以理解为，增加间隔宽度可以有利于后门结构的实际门调制。其次，在实验中制作了新型的InSe FETs 单顶门结构和单后门结构增加了额外的顶门，构成双门结构。实测电学特性与仿真结果有相似的趋势:双栅结构的开关性能最好。为了进一步探究单栅和双栅结构之间的确切区别，在新的双栅器件的制备过程中，增加了一个中间步骤来测量单后栅结构的特性。这种经典的比较研究方法也被用于比较双门和单门WS₂ FETs之间的通断行为。通过测量表明，双栅场效应晶体管与单后栅场效应晶体管相比，提高了约三分之一的导通电流，双栅场效应晶体管的SS被推到接近理论极限(10纳米每十年约78 mV, 20纳米每十年约63 mV)。这与模拟的趋势相一致，即双栅结构在抑制短通道效应方面比单栅更有效。

原文详情：

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

本文由金爵供稿。

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