面向高性能、低功耗晶体管的高态密度、长自由程新型二维电子材料的研究

With the rapid development of modern electronic information industry, the size of electronic devices has been greatly reduced for higher integration density, faster-switching speed, and lower power consumption. At present, the COMS device process node has entered 10 nm, and the traditional silicon-based transistor has approached its physical limit. The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) states that new materials, especially two-dimensional materials, will provide a wide space for the development of integrated circuits in the Post-Moore era. However, for thousands of two-dimensional materials, except appropriate band gaps and high mobility, large density of states and long free path are also the key factors which determine the performance of CMOS devices. Therefore, based on Molecular Dynamics, First-principle calculation and non-equilibrium Green’s function (NEGF), we will design and screen novel two-dimensional semiconductor materials with large density of states and long free path, explore the mechanism of ballistic transport for transistors, and establish channel material database for high performance and low power transistor, which verified by synthesis, characterization, nano-electronic devices fabrication etc. This project will be of great significance to the design and screen potential two-dimensional channel materials for high-performance and low-power CMOS devices in the future.

随着现代电子信息产业的高速发展，电子器件的尺寸大幅度缩小，从而实现更高的集成密度、更快的开关速度以及更低的功耗。目前，COMS器件工艺节点进入到10 nm，传统的硅基晶体管已经接近物理极限。国际半导体路线图指出，新材料，特别是二维材料，将会在后摩尔时代为集成电路的发展提供广阔的空间。然而，对于数千种二维材料而言，除了需要具备合适带隙、高迁移率等，高态密度和长自由程也是决定CMOS器件性能的关键因素。鉴于此，本项目基于分子动力学、第一性原理计算以及基于非平衡格林函数的量子输运等多种方法，拟设计、筛选具有高态密度、长自由程的二维电子材料，探索二维电子器件的弹道输运机制，建立潜在高性能、低功耗晶体管沟道材料数据库，并通过实验合成、表征、器件制备等加以验证。通过本项目的研究，对未来高性能、低功耗CMOS器件的设计、筛选具有潜力的二维沟道材料具有重要意义。

随着晶体管的小型化、集成化逼近其物理极限，集成电路制造技术进入了“后摩尔时代”。以硅基半导体为基础的电子器件正面临着严重的挑战：随着硅材料体厚度的降低，量子限域效应导致器件的电学性能显著衰退；晶体管特征长度微缩至极限尺寸，短沟道效应以及显著增加的电荷散射中心，导致器件功耗无法进一步降低；同时小型化产生的这一系列量子效应使经典的半导体物理原理不再适用。《国际器件与系统路线图（IRDS）》指出二维电子材料凭借其原子级的超薄厚度和平整无悬挂键的表面等优势有望克服短沟道效应，成为后摩尔时代大规模集成电路领域极具潜力的候选沟道材料。但是，当前二维半导体材料与器件领域存在材料载流子本征迁移率低、短沟道器件的速度趋于饱和以及电源电压难缩放造成的功耗过高等瓶颈。然而，当前二维半导体材料与器件领域存在器件开关速率接近饱和与高能载流子热输运存在极限等瓶颈。.为此，本项目确立了后摩尔二维电子材料与器件这一研究主题，开发了包含多能谷散射的普适性全电-声耗散输运模拟方法，设计、筛选了具有高态密度特性的新型二维电子材料体系，建立了沟道材料载流子有效质量、态密度等电子结构与器件性能内在关联的数理模型，提出了利用二维材料结构、能带及电子态的各向异性增加沟道载流子浓度的新思路，揭示了材料物性与器件输运特性之间的内在关联，发展了各向异性电子结构的隧穿输运模型和器件结构的优化策略，完善丰富了高性能、低功耗晶体管沟道材料数据库。通过该项目的研究，对未来高性能、低功耗CMOS器件的设计、以及筛选潜在的二维沟道材料具有重要的意义。项目执行期间以第一或通讯作者在Phys. Rev. B、Phys. Rev. Appl.、IEEE Electron Dev. Lett.、IEEE Trans. Electron Dev.等国际著名期刊发表19篇SCI论文。