众所周知，晶体管是构成芯片的关键元件。芯片为大数据和人工智能的发展提供源源不断的动力，芯片速度的提升得益于晶体管的微缩，然而当前传统硅基场效应晶体管的性能逐渐接近其本征物理极限。根据国际半导体器件与系统路线图（IRDS）的预测，硅基金属氧化物半导体（MOS）场效应晶体管（FET）的极限栅长将停止在12 nm，工作电压不能小于0.6 V。换句话说，硅基芯片的性能已经接近了“天花板”。如果希望继续提高集成电路中晶体管数目，提升芯片性能并降低功耗，一个可行的方向是发展新型沟道材料。原子级厚度的二维层状半导体被认为很有希望成为下一代芯片沟道材料，然而迄今为止所有基于二维半导体的FET所展现出的性能均不能媲美业界先进硅基FET，所存在的主要挑战包括二维半导体和高k电介质之间的低质量界面、二维半导体-金属界面上较差的源极和漏极接触、二维半导体材料本身固有的缺陷等等。
鉴于此，北京大学电子学院彭练矛教授、邱晨光研究员课题组等人在Nature期刊上发表题为“Ballistic two-dimensional InSe transistors”的研究性成果。
该研究制备了10 nm超短沟道弹道二维硒化铟（InSe）晶体管，首次使得二维晶体管实际性能超过Intel商用10纳米节点的硅基Fin晶体管，并且将二维晶体管的工作电压降到0.5 V，这也是世界上迄今速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管。采用高载流子热速度的三层InSe作为沟道材料，饱和区室温弹道率高达83%，超过任何已报道的硅基FET；二维材料表面高质量生长2.6 nm超薄双栅氧化铪（HfO2）介电层，器件跨导提升至6 mS μm−1，超过所有已报道二维器件一个数量级；通过钇（Y）掺杂诱导二维相变解决二维器件领域半导体-金属接触较差的问题，总电阻低至124 Ω μm，满足对于下一代晶体管电阻的要求。
图1| 弹道二维硒化铟晶体管与先进节点硅基晶体管的比较
研究描述了设计具有良好开关特性的超短沟道弹道晶体管的基本物理规则（图1a），其中的两个关键材料参数是：载流子热速度(thermal velocity) 和缩放长度（scale length）。相比于Si, InSe具有更大的载流子热速度、更小的缩放长度和能谷简并度（valley degeneracy），因此更具潜力。使用的2D InSe晶体管结构的示意图如图1b,c所示，其具有10 nm沟长和2.6纳米厚的HfO2介电层。通常，基于2D材料的器件由于强烈的费米钉扎效应，在金属电极和2D半导体之间会产生较大的接触电阻。为解决这一问题，本文采用了一种相变方法，在接触区域使用钇掺杂将半导体InSe转化为半金属Y-InSe，将总电阻刷新至124Ω μm，满足集成电路未来节点对晶体管电阻的要求（220Ω μm）。
图2| InSe FETs的结构和电子特性
作者测试了二维InSe FET的性能，并直接与Intel商用10纳米节点的硅基Fin FET和IBM的20纳米栅极InGaAs Fin FET进行比较（关态电流为100 nA μm−1）。二维InSe FET的饱和电流与硅基Fin FET相当，但工作电压低得多，仅为0.5 V（硅基Fin FET为0.7 V），也优于InGaAs Fin FET。这种二维InSe FET实现了6 mS μm−1 (0.5 V) 的跨导，这也是所有报道的低维纳米材料 FET的最高值，与Intel商用10纳米节点的硅基Fin FET相当但工作电压较低（0.5 V），比IBM的InGaAs Fin FET高三倍。作者还比较了这种二维InSe FET与其他短沟道二维 FET的开态性能参数。在VDD = 0.5 V的超低电压下，二维InSe FET的开态电流范围为0.7 - 1.2 mA μm−1，跨导范围为3 - 6 mS μm−1，大约比其他二维 FET高一个数量级。二维InSe FET饱和区域的弹道率高达83%，这是迄今为止二维 FET的最高记录，超过了之前报道的所有硅基 FET。二维InSe FET中的高载流子热速度和弹道率、超薄HfO2双栅结构和源/漏欧姆接触将跨导提高到创纪录的6 mS μm−1，因此，二维InSe FET的VDD可降低到0.5 V（优于IRDS预测的2037年硅基极限的0.6 V），同时仍然能够将器件电流从100 nA μm−1（关态）打开到超过1 mA μm−1（开态），这在硅基单片MOS FET是不可能实现的。得益于0.5 V的超低电压和超过1 mA μm−1的开态电流，二维InSe FET在栅极延时和功耗延迟积（EDP）方面比硅基 FET表现更优。最佳10 nm栅长二维InSe FET的延迟为0.32 ps (ksp = 2.5) 和0.87 ps (ksp = 13)，优于IRDS 2022预测的硅基 FET的极限延迟1.32 ps（12 nm栅长）；EDP低至4.32 × 10−29 Js μm−1 (ksp = 2.5) 和3.20 × 10−28 Js μm−1 (ksp = 13)，比硅基 FET的预测极限低一个数量级。二维InSe FET具有理想的开关行为，包括亚阈值摆幅75 mV per decade，DIBL仅22 mV V−1，电流开/关比超过7个数量级，优于目前最先进的硅基FinFET技术。图3|弹道二维硒化铟晶体管与硅基、InGaAs晶体管的性能比较综上所述，本工作表明已经制造出具有欧姆接触、高栅极效率和接近理想弹道比的超尺寸高性能InSe FETs，首次证实了2D FETs可以提供接近理论预测的实际性能，是未来Å节点上硅FETs的强大竞争对手。这项工作突破了长期以来阻碍二维电子学发展的关键科学瓶颈，将n型二维半导体晶体管的性能首次推近理论极限，率先在实验上证明出二维器件性能和功耗上优于先进硅基技术，为推动二维半导体技术的发展注入强有力的信心和活力。例：后台回复“ChemDraw ”领取破解版安装包回复“EndNote X9.1 ”领取破解版安装包本平台长期征稿，投稿请发至邮箱：tg@bcpmdata.com，目前仅接受原创首发类相关稿件或顶级化学外刊文献的前沿解读。来稿邮件标题：【微信投稿】+文章标题+作者、稿件请以附件方式发送，我们将从中挑选并发表在“化学科讯”微信公号。一经发表，稿酬丰厚，欢迎赐稿，期待佳作。太惨了！被踢出SCI，陆续撤回中国学者91篇文章，涉及众多名校，原因竟然是....
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