Adv. Mater.:二维范德华异质结构的新机遇：制作陡坡晶体管

【引言】

近年来，金属冷源（CS）被认为是实现陡坡场效应晶体管（FET）的有效途径。除了选择具有所需态密度-能量关系（D(E)）的源材料外，设计栅可调沟道势垒的源-沟道界面对CS-FET至关重要。然而，由于不可避免的化学无序和缺陷诱导的带隙态，传统的金属：半导体（MS）界面通常遭受强费米尔钉扎，从而限制了栅的可调控性

【研究简介】

近日，清华大学精密仪器系李黄龙副教授（通讯作者）及其博士后吕娟（第一作者）在Adv. Mater.上发表了一篇题目为“A New Opportunity for 2D van der Waals Heterostructures: Making Steep-Slope Transistors”的研究成果。该研究通过在原子尺度上对材料和器件进行综合建模，发现二维van der Waals（vdW）MS界面以其原子级的锐度和非化学键接触可以作为CS-FET的一般成分。作为测试案例，研究了基于InSe的n型场效应晶体管。研究发现，石墨烯可以通过与InSe的界面作用，在Dirac点附近出现自发的p型掺杂和微开的带隙，导致热载流子密度随n型沟道势垒的增加呈指数衰减。此外，D(E)关系表明，2D过渡金属二硫化物和2D过渡金属碳化物是丰富的CS材料库。石墨烯、Cd₃C₂、T-VTe₂、H-VTe₂和H-TaTe₂ CSs导致低于60 mV dec^-1的阈下摆动。这项工作拓宽了2D-vdW-MS异质结构的应用潜力，为进一步研究基于2D材料的低功耗电子器件提供了支持。

【图文简介】

图1 石墨烯CS-FET模型

a）n型InSe基石墨烯CS-FET的侧视图。等效氧化物厚度（EOT＝0.54 nm）、栅极长度（L＝7.8 nm）和电源电压（VSD＝0.74 V）根据2021国际半导体技术路线图（ITRS）对高性能晶体管进行参数化；

b）InSe的能带结构：石墨烯异质结。石墨烯和InSe的电子态分别用红色和黑色曲线表示。费米能量设为零。插图显示了松弛的原子结构，黄色、粉色和灰色的球分别代表In、Se和C原子；

c）有或无石墨烯源的InSe基场效应晶体管的传输特性。

图2 第一性原理计算（DOS）

a-b) DOS沿传输方向投射到石墨烯CS-FET上，用于a）开态和b）关态器件；

c）通断状态下的传输频谱；

d）投射到石墨烯源的原子剂量，沟道中的InSe和漏极中的InSe，用于开关状态器件；

e）放大能量区的DOS（e）和n（e），在该区域附近出现SS=51 mV dec-1的最陡斜率。

图3 DOS和载流子分布图

a）Zn₃C₂，b）Hg₃C₂，c）Cd₃C₂，d）T-VTe₂，E）H-VTe₂和f）H-TaTe2的DOS（E）和n（E）关系。

图4 InSe/T-VTe₂异质结能带结构和传输特性曲线

a）InSe/T-VTe₂异质结的能带结构。由单层InSe和T-VTe₂贡献的电子态分别用黑线和灰线标记。插图显示了松弛的原子结构，绿色和橙色的球分别代表V原子和Te原子；

b）带和不带T-VTe₂源的CS-FET的传输特性。

图5 器件工作状态下能带分析

a-b）T-VTe₂ CS-FET的PLDOS，a）开状态和b）关状态；

c）通断状态下传输频谱的比较；

d）分别以T-VTe₂为源，InSe为沟道，InSe为沟道，InSe为沟道；

e）放大能量区的DOS（e）和n（e），在该区域附近，SS=57 mV dec^-1的最陡斜率出现。

【小结】

本文研究了二维vdW-MS异质结在超陡亚阈值摆幅CS-FET中的应用潜力。根据DOS（E）关系和各种二维金属材料（如石墨烯、所选TMDs和MXenes）层间相互作用的非化学性质，作者预期了大量的二维vdW材料可以用作所需的CS材料。作为测试案例，研究者研究了具有原始石墨烯、掺杂石墨烯、Cd₃C₂、T-VTe₂、H-VTe₂和H-TaTe₂ CSs的高迁移率单层InSe基n型场效应晶体管。这些FET显示低于60 mV dec^-1的低SS值。热尾效应对关断电流的抑制主要归因于栅极可调谐沟道势垒以及n（E）的超指数下降。陡坡、低关断电流和大电流CS-FET的DOS工程，以及探索实现CS-FET金属-半导体异质结多晶集成的材料可能是未来的关键研究机会。这项工作为基于二维材料的低功耗电子器件提供了新的机遇。

文献链接：A New Opportunity for 2D van der Waals Heterostructures: Making Steep-Slope Transistors, 2019, Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201906000.

清华大学精密仪器系李黄龙副教授团队致力于低功耗、高速度、新架构芯片的元器件和材料研究，近年来在神经形态器件（Truly Concomitant and Independently Expressed Short‐ and Long‐Term Plasticity in a Bi₂O₂Se‐Based Three‐Terminal Memristor, Adv. Mater. 2019, 31, 1805769)和超陡亚阈值摆幅晶体管(A New Opportunity for 2D van der Waals Heterostructures: Making Steep-Slope Transistors, Adv. Mater. 2019,1906000)方面取得重要的阶段性突破。课题组常年招聘实验（神经形态微纳电子器件、基于二维材料的电子器件、非易失存储器等）和理论（使用ATK, CASTEP, VASP等对电子器件和电子材料进行研究）方向的优秀博士后和参与研究训练的本科生，以及实验方向的博士生、联培生。