AFM最新综述：二维晶体管近期激动人心的实验突破，接近理论极限！

第一作者：Hong Li

通讯作者：吕劲，屈贺如歌，邱晨光，田禾

通讯单位：北京大学、北京邮电大学、清华大学

论文速览：

本论文回顾了近期在二维晶体管（2D FETs）领域的激动人心的实验进展，这些进展包括栅极长度微型化至亚1纳米极限、电极接触优化至量子极限、高质量介电层制造以及新型架构形式。

特别是，2D InSe晶体管实现了超短通道、欧姆接触、弹道输运和超薄介电层的同时满足，其器件性能接近理论极限，与硅基晶体管相比具有竞争力甚至更优。文章最后讨论了基于2D晶体管的摩尔电子学面临的挑战和未来展望。

图文导读：

图1：展示了基于第一性原理量子输运模拟计算的几个最优单层金属氧化物半导体场效应晶体管（ML MOSFETs）在不同栅极长度下的开态电流。

图2：展示了理想的2D FET结构，超越了硅基晶体管，包括无缺陷的2D半导体通道、超薄金属电极以及高介电常数的介电层。

图3：展示了实现2D FET栅极缩小至亚10纳米尺度的进展。

图4：展示了0.34纳米栅极的单层石墨烯侧壁晶体管的结构示意图、典型器件的转移特性曲线、亚阈值摆动（SS）和开关比提取、以及通过Sentaurus技术计算机辅助设计（TCAD）模拟的通道MoS2层依赖的转移特性曲线。

图5：展示了通过使用半金属、2D金属和原位掺杂诱导的半导体到金属相变来实现2D FET低电阻接触的最新策略。

图6：展示了正常金属/半导体接触、半金属/半导体接触和接触前的半导体的态密度，以及正常金属/半导体接触和半金属/半导体接触的能带结构。

图7：展示了ML MoS2晶体管与Sb (01̄12)电极接触的能带结构和电荷密度，以及实验中的ML MoS2 FET的转移特性和模拟中的ML MoS2 MOSFET的特性。

图8：展示了半金属-半导体接触的功函数比较、常规和范德瓦尔斯半金属-半导体接触的能带图和原子结构图。

图9：展示了通过改进原子层沉积（ALD）添加种子层、将2D通道转移到生长的介电层以及将半导体通道本征氧化成绝缘介电层来实现具有亚1纳米等效氧化物厚度（EOT）的高质量介电层的最新策略。

图10：展示了2D Bi2O2Se FinFETs的结构和性能，包括垂直2D Bi2O2Se/Bi2SeO5 鳍-氧化物异质结构阵列的晶圆级外延、2D Bi2O2Se FinFET的示意图和扫描电子显微镜（SEM）图像，以及器件的典型输出和转移特性。

图11：展示了低温合成方法用于在硅基底上生长单层MoS2的示意图、硅基底上合成的MoS2的光学图像、不同合成方法的热预算基准测试、拉曼A1g峰强度映射、PL光谱的FWHM映射、510个背栅晶体管的转移特性以及场效应迁移率、阈值电压和亚阈值摆动的映射。

图12：展示了与硅电路兼容的异质制造过程的示意图、Si晶体管在MOCVD过程前后的转移特性和输出特性、MoS2晶体管在CMOS Si晶体管上的转移特性和输出特性、MoS2-Si SRAM单元的电路图和光学图像、Si晶体管在SRAM单元内的蝴蝶曲线以及SRAM单元的输入和输出波形。

图13：展示了温度相关的弹道（Lch < 20 nm）和扩散（Lch > 1 μm）输运模式的示意图、TL InSe FETs与几个Si MOSFETs的弹道比比较、10 nm栅极TL InSe FET在不同温度下（从300 K到100 K）的转移特性、接触模型和能带对齐的侧视图、弹道2D InSe晶体管与其他2D短通道晶体管的总电阻比较、载流子密度ns的总电阻基准测试、TL InSe FET的截面透射电子显微镜图像和电子能量损失谱图。

图14：展示了2D InSe FET与体硅FinFET的性能比较，包括转移特性和跨导与10 nm节点Si FinFET和20 nm栅极InGaAs FinFET的比较，以及SS和DIBL与Intel和IBM & GF的Si FinFETs的比较，Vdd、延迟时间和EDP的缩放趋势比较，以及弹道2D InSe FETs与IRDS和Intel的Si FinFETs的性能比较。

图15：展示了2D FETs的最新突破的示意图。

总结展望：

本文总结了2D FETs在器件缩放、电极工程、架构改革、CMOS集成和超越Si FETs方面的五个主要突破。

通过结合高质量的超薄介电层和通过Y掺杂诱导的InSe从绝缘体到金属相变的欧姆接触，2D InSe FET展现出了超越现有硅基晶体管的优异性能。这些成果极大地增强了2D FETs作为Si FETs继任者的信心。

然而，要实现基于2D半导体的集成电路的商业应用，仍需在实验和理论模拟方面做出更多努力，包括扩展2D材料的晶圆级生长、探索新的2D通道材料、优化p型2D FETs的性能、实现2D FETs的亿级集成以及探索具有新输运机制的2D FETs。

文献信息：

标题：Recent Experimental Breakthroughs on 2D Transistors: Approaching the Theoretical Limit

期刊：Advanced Functional Materials

DOI：10.1002/adfm.202402474

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