基于二维材料的隧穿场效应管的理论设计

Field effect transistors in sub-10 nm scale are the developing demand of semiconductor technology for the next decade. Under this scale limit, electrostatic control and power consumption are two major challenges. Two-dimensional material, with its nature of single atomic layer thickness and smooth surface, can effectively improve the gate voltage electrostatic control ability. However, the power consumption issue is still an obstacle within the conventional metal oxide semiconductor (MOS) technology; because of the fundamental thermionic mechanism limit the threshold swing (SS) to 60 mV/dec. New technology beyond MOS is demanding. Tunnel field effect transistor (TFET) is a desirable candidate to further reduce the SS. Hence in this project, we plan to study TFETs based on two-dimensional materials to explore low-power devices under sub-10 nm scale. Three geometries with respective tunneling mechanism, i.e., planar p-i-n structure, graphene/insulator (semiconductor)/graphene sandwich structure, and semiconductor/semiconductor vertical heterogeneous structure, are studied. Key parameters like transfer characteristic, on/off ratio, SS, delay time, and etc., are calculated within the quantum transport theory. Then, with assist of the electronic information of the level distribution across the channel and etc., we discuss and clarify the factors that affect the device performance, optimize the device, and explore its performance limit.

亚10纳米的场效应管是未来10年半导体技术发展的需求。在这个极限尺度下，静电控制问题和功耗问题都变得尤为突出。二维材料的原子层厚度及平整的表面能有效提高静电控制能力。然而对于功耗问题，基于传统MOS技术的晶体管由于载流子热扩散效应的传输机理，亚阈值摆幅(SS)难以突破60mV/dec的极限。因而要解决功耗问题，需要新的传输机理。隧道场效应管（TFET）在原理上并没有限制，可以进一步降低SS。本课题将在理论上对如何用二维材料实现亚10纳米的低功耗的TFET进行探索。根据隧穿机理的不同，我们将从平面p-i-n型、石墨烯/半导体/石墨烯三明治型、和半导体/半导体垂直异质型三个方面探索新的TFET。通过量子输运计算，得到转移曲线、亚阈值摆幅、延迟时间等关键参数。然后，我们通过分析不同偏压门压下沟道内外电子的能级分布等微观信息，明晰影响器件表现的因素、寻找优化方案、和探究器件的表演极限。

现代信息社会的高速发展和人们对生活质量的更高追求对未来智能设备有更高的要求。目前在基于传统三维材料的短沟道场效应管的制备中，由于静电控制问题和功耗问题，无法满足对未来电子器件更快速度和更低能耗等需求。基于二维材料的隧穿场效应管（TFET）能突破亚阈值摆幅的玻尔兹曼极限且二维材料有利于静电控制，是很有潜力的下一代电子器件。本项目的主要内容是利用第一性原理量子输运计算的方法研究了一系列基于新型二维半导体材料（如单层黑磷烯(BP)、单层GeSe等）的平面同质p-i-n型TFET、同质垂直搭接的TFET、和二维垂直异质型TFET在亚10纳米的器件表现。通过计算透射谱、转移曲线、电流开关比、亚阈值摆幅、延迟时间、和能量耗散等场效应管的关键参数，并与相关实验、理论数据、及国际半导体技术发展蓝图（ITRS）需求的场效应管比较。通过分析讨论（如不同门压下局域器件的态密度等微观信息、开态电流与能隙和有效质量关系等），加深对器件的微观运行机制的理解、明晰器件的表征极限并寻找优化方案。研究发现满足ITRS（2013版本）高表现器件的有平面型单层BP TFET、单层GeSe TFET、单层GeTe TFET、单层SnSe TFET、和基于BP的垂直搭接型的TFET；满足ITRS（2013版本）低功耗器件要求的有单层 GeSe TFET、基于BP的垂直搭接型的TFET、和基于SnSe的垂直搭接型的TFET。本项目预测了基于二维材料的隧穿场效应管在未来电子器件应用上具有诱人的前景，对今后二维隧穿晶体管的理论和实验工作有一定的促进作用。