基于二维半导体材料的新型器件模型模拟研究

The compelling demand for higher performance and lower power consumption in electronic system is the main driving force of the quest for devices and architectures based on new materials. Recent attention is turning to the two-dimensional (2D) materials due to their unique properties. In this project, the carrier transport properties in novel 2D semiconductor devices will be investigated comprehensively based on the physical modeling and simulation methodology. A numerical simulator suitable for carrier transport study in 2D devices is developed, accounting for the 2D material diversity, device architecture, quantum effect, strain effect, band-to-band tunneling, and ferroelectric negative capacitance effect. With regard to the requirement of design and optimization for high energy efficient devices, systematic assessment of transport property and electrical performance in 2D devices will be performed by focusing on the advantages of these materials and associated technolgies, outlining their potential as a technological option compared with the traditional silicon, germanium and III-V devices in nano-scale regime. In addition, novel steep-slope devices based on 2D materials such as heterostructure tunneling FETs and ferroelectric negative capacitance FETs will be explored theoretically to overcome the Boltzmann tyranny for future high performance and low power CMOS application. The works in this project are the key points for the challenge of device simulation for nano-scale two dimensional semiconductor devices, and can provide theoretical guideline and useful CAD tool for the next generation of semiconductor devices.

研究新型二维半导体材料以及设计各种独特器件结构正逐步成为当前电子材料与器件领域的研究热点。本项目将面向基于二维半导体材料的新型器件，开展适于材料变化、计入量子效应、应变效应、带间隧穿以及铁电负电容效应影响的载流子输运特性的研究，并建立相应的模型和模拟方法；面向基于二维半导体材料的新型高能效器件设计与优化的需求，建立多种族系二维半导体材料器件输运特性的评估方法，提出工艺、材料、器件结构等方面的优化措施，为这类器件的设计和优化提供基础工具；同时探索基于二维半导体材料的隧穿场效应晶体管、铁电负电容场效应晶体管等新型超陡亚阈值斜率器件的模型和模拟方法，突破玻尔兹曼热分布的理论限制，为二维半导体材料在未来高性能和低功耗CMOS逻辑电路的应用研究提供理论指导。相关研究成果为我国新一代高能效、多样化的半导体器件设计提供理论和工具。

功耗是制约集成电路发展的瓶颈问题，需要引入新材料、新结构、新原理来探寻全新的高能效器件。其中，具有原子级厚度的二维半导体材料以及与CMOS工艺兼容的氧化铪铁电材料被认为是延续摩尔定律的新动力。本项目建立了基于二维半导体材料和氧化铪铁电材料的新型微纳电子器件的模型与模拟方法，为新一代高能效、多样化的半导体器件设计提供了理论指导和基础工具。基于所建立的模拟平台，开展了以下研究：1.二维硒化铟具有接近黑磷的迁移率以及更稳定的化学性质。然而对硒化铟的完整了解并解锁它们的潜力尚且没能完全展开。本项目研究了二维硒化铟场效应晶体管中的本征与非本征载流子输运机理，理清了各种散射机制的作用，从理论上证实了硒化铟的电子迁移率可高达1000cm2/Vs，并进一步提出了栅叠层的优化结构来提高迁移率，揭示了硒化铟在未来高能效器件的应用潜力。2.作为新型超陡亚阈值摆幅器件，铁电负电容晶体管仍然面临机制不清楚、负电容区域不稳定、设计规则不明确以及翻转频率极限等难题。本项目寻找到了一种有望实现稳定且无回滞特性的负电容机理，用相场理论阐明了负电容效应与退极化场的关系，提出了相应的电容匹配设计规则，预测了氧化铪铁电负电容的极限工作频率，为铁电负电容器件的优化设计提供了有效的理论指导。3.铁电隧道结是一种具备实现存算一体和神经形态计算的新型阻变器件。然而，相比于钙钛矿铁电材料，氧化铪铁电隧道结中的电致电阻效应有待提高。本项目成功解释了N型和P型金属/铁电层/绝缘层/半导体结构铁电隧道结的导电机制，提出了金属电极和半导体电极的协同优化设计方法，从MFIS能带设计的角度为氧化铪铁电隧道结的优化提供了理论指导。