北大最新Nature创纪录：世界上速度最快能耗最低的二维半导体晶体管 – 材料牛

01、导读

国际器件与系统路线图（IRDS）预测，对于硅基金属氧化物半导体（MOS）场效应晶体管（FET），栅极长度的缩放将停止在12 nm，最终电源电压不会降至0.6 V以下。这定义了硅基芯片在缩放过程结束时的最终集成密度和功耗。近年来，具有原子级厚度的二维（2D）层状半导体已被探索为潜在的沟道材料，以支持进一步的小型化和集成电子。然而，到目前为止，还没有实验结果表明，在0.7V的标准电源电压（商用硅10nm节点中的电源电压）下，基于2D半导体的FET的导通电流和跨导可以超过最先进的硅FET，基于2D半导体的FET的实验结果仍然远远落后于理论预测，不足以显示2D半导体的最终潜力。

02、成果掠影

在此，北京大学电子学院彭练矛院士、邱晨光研究员团队设计报道了一种以高热速度的2D硒化铟（InSe）作为沟道材料的FET，该FET在0.5V下工作，并实现了6 mSμm-1的创纪录的高跨导和83%的饱和区室温弹道比，超过了任何报道的硅FET。研究人员开发了一种钇掺杂诱导相变方法，用于与InSe进行欧姆接触，并且InSe FET的沟道长度被缩小到10nm。该研究设计的InSe FET可以有效抑制短沟道效应，其低亚阈值摆动（SS）为每十年75 mV，漏极诱导的势垒降低（DIBL）为22 mV V-1。此外，在10nm弹道InSe FET中可靠地提取了62 Ω μm的低接触电阻，导致了更小的内在延迟和更低的能量延迟积（EDP），远低于预测的硅极限。

相关研究成果以“Ballistic two-dimensional InSe transistors”为题发表在国际顶级期刊Nature上。

03、核心创新点

1、该研究成功设计了一种以2D InSe作为沟道材料的FET，该FET在0.5V下工作，并实现了6 mSμm-1的创纪录的高跨导和83%的饱和区室温弹道比，创造了新纪录。

2、开发了一种钇掺杂诱导相变方法，将InSe FET的沟道长度被缩小到10nm，相比于硅基FET的极限，该材料可有效抑制短沟道效应，并且有着更低的亚阈值摆动（SS）以及接触电阻，呈现出非凡的性能表现。

04、数据概览

图1 弹道InSe FETs的结构和电子特性 © 2023 Springer Nature Limited

（a）硅和典型二维半导体材料的热速度和缩放长度；

（b）双栅极InSe FET示意图；

（c,d）透射电子显微镜图像和电子能量损失光谱图显示了具有双栅极结构的InSe FET的横截面；

（e）Y-InSe系统中可能的掺杂或吸附构型的计算形成能。金色、蓝色和紫色球体分别代表In、Se和Y原子。吸附情况：Y原子被吸收在InSe表面的中空位点（ads-H）顶部和In原子（ads-In）顶部。掺杂情况：Y原子被间隙捕获在Se原子之间（Se原子间）、In原子之间（In原子间）和InSe原子之间（H原子间）；Y原子取代In原子和Se原子；

（f）计算了三层InSe和钇掺杂诱导的相变接触区的能带结构（其中Y原子被替代掺杂在InSe的顶层）。

（g）与独立InSe相比，Y-InSe的XPS光谱的偏移（所有C1s峰在284.8eV处）；

（h）两种类型的弹道装置在VDS=0.1V时的传输特性，包括Y-InSe通道（紫色曲线）、纯InSe通道（橙色曲线）以及与1-nm Y通道（灰色曲线）的比较；

（i）钇掺杂诱导的相变接触的示意性侧视图。纯半导体InSe与半金属Y-InSe的能带排列；

（j）使用Y掺杂诱导相变接触的典型10nm弹道InSe FET和直接使用传统Ti/Au接触的典型10 nm InSe FET的输出特性；

图2 InSe场效应管的电子特性和总电阻 © 2023 Springer Nature Limited

（a,b）该研究的弹道2D InSe FET和其他2D短沟道FET的饱和输出特性（具有最大栅极电压）和总电阻比较；

（c）在一些有代表性的报告中对总电阻与载流子密度ns进行基准测试。红星是该研究代表性的10 nm沟道长度弹道InSe FET的总电阻，虚线是使用Landauer公式计算的InSe FETs的理论极限；

（d）晶体管中与温度相关的扩散和弹道传输模式示意图；

（e）典型的10nm弹道2D InSe FET在从300K到100K的各种温度下的传输特性；

（f）该研究的具有欧姆接触的弹道2D InSe FET（Y/Ti/Au，红色）和具有未优化的正常肖特基接触的弹道2D-InSe FET（Ti/Au、黄色）的典型传输特性。在Ti/Au接触器件（黄色）的转移特性的亚阈值区域中似乎有两个片段，对应于热发射（TE）和热场发射（TFE），这与先前报告中的40 nm WS2 FET一致。相比之下，该研究的欧姆接触InSe FET（红色）在整个亚阈值区域仅显示出单一的热发射过程；

（g）与肖特基接触和欧姆接触相关的带隙示意图；

图3 InSe、硅和InGaAs FET的基准测试 © 2023 Springer Nature Limited

（a）五种典型的弹道2D InSe FET（彩色点）、10nm节点硅FinFET（Intel，黑色实线）32和20nm LG InGaAs FinFET的传输特性比较，通过最先进的Fin Pitch=34nm（IBM，黑色虚线）进行归一化。请注意，所有电流都使用相同的规则进行归一化；

（b）五个典型弹道2D InSe FET的跨导比较，一个10nm节点硅FinFET（英特尔，黑色实线）和一个InGaAs FinFET；

（c,d）VDD=0.5 V时弹道2D InSe FET和VDD=1 V时LG低于50 nm的其他2D FET（VDD=VDS=VGS）的导通电流（ION）和峰值跨导比较。导通电流和峰值跨导值是从VDD电压窗口和标准关断电流为100 nAμm−1的传输特性中提取的；

（e）该研究的InSe FET与硅MOS FET的弹道比的基准，包括体硅FET、FinFET和双栅极（DG）硅FET；

（f-h）与硅FET相比，该研究的弹道2D InSe FET的VDD、栅极延迟和EDP的缩放趋势；

图4 InSe FET和硅FinFET的短沟道效应比较 2023 Springer Nature Limited

（a）在漏极偏置VDS=0.1V（紫色）和0.5V（蓝色）时具有10nm栅极长度的典型2D InSe FET的传输特性；

（b,c）SS和DIBL的缩放趋势。红星代表我们的10 nm栅极长度和20 nm栅极长度的弹道InSe FET。海蓝宝石蓝点表示Intel 10 nm节点、14 nm节点和22 nm节点FinFET。棕色圆点代表由GlobalFoundries（GF）和IBM联合开发的7纳米节点FinFET。粉红色虚线和黑色虚线分别表示单层2D FET和硅FinFET的理论计算性能；

（d）典型的10nm节点硅FinFET和2D FET的横截面示意图。浅蓝色和金色分别表示氧化物电极和栅极电极；

（e）具有20nm LG的三个弹道2D InSe FET的典型传输特性和已报道的最佳开关亚50-nm 2D FET；

（f）与其他低于50纳米的短沟道2D FET相比，该研究的弹道2D InSe FET的SS与ID。实心点表示三个典型的弹道2D InSe FET，而空心点表示其他低于50-nm的2D FET；

05、成果启示

综上所述，该研究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大规模高性能InSe FET，并证明其在0.5V的超低电压下工作。这项工作首次证实，2D FET可以提供接近理论预测的实际性能，并且是未来Å节点硅FET的有力竞争对手。

文献链接：Ballistic two-dimensional InSe transistors，2023，https://doi.org/10.1038/s41586-023-05819-w）

本文由LWB供稿。

06、课题组介绍

彭练矛教授

中国科学院院士，北京大学电子学院院长。1994年获首批国家杰出青年科学基金资助，1999年入选首届教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。长期从事碳基电子学领域的研究，做出一系列基础性和开拓性贡献。四次担任国家“973计划”、重大科学研究计划和重点研发计划项目首席科学家。在《科学》《自然》等期刊发表SCI论文400余篇。相关成果获国家自然科学二等奖（2010和2016年）、高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖（2013年）、北京市科学技术一等奖（2004年），入选中国科学十大进展（2011年）、中国高等学校十大科技进展（2000和2017年）、中国基础科学研究十大新闻（2000年）。个人获何梁何利基金科学与技术进步奖（2018年）、全国创新争先奖（2017年）、推动“北京创造”的十大科技人物（2015年）、全国优秀博士学位论文指导教师（2009年）、北京大学首届十佳导师（2013年）等荣誉。

邱晨光研究员

北京大学电子学院研究员，“博雅青年学者”。 国家基金委“优青”（2021）、国家重点研发计划青年首席科学家（2021）、KJW 173 JCJQ 首席科学家（2022）。从事纳米电子器件方面研究，在Nature, Science, Nature Electronics, Nature Nanotechnology, ACS Nano, Nano Letters, IEDM等顶级国际期刊和会议上发表论文; 以第一作者和通讯作者在《科学》上发表论文两篇，在《自然》上发表论文一篇。Science论文“5纳米栅长碳纳米管晶体管”实现了晶体管开关的量子极限，入选ESI高被引用论文和热点论文，入选2017年中国高校十大科技进展，2017年中国100篇国际高影响论文。 Science论文“狄拉克冷源晶体管”首次在国际上提出并实现冷源亚60超低功耗新器件机制，拓宽了超低功耗器件领域范围，入选2018全国科创中心重大标志性原创成果。Nature论文“弹道InSe晶体管”研制出世界上迄今弹道率最高、速度最快、功耗最低的二维晶体管，性能超过硅基极限。

姜建峰

北京大学电子学院博士研究生，师从彭练矛教授与邱晨光研究员。从事二维电子器件的极限性能的探索与器件物理研究，致力于开发超越硅基极限的后摩尔新型电子技术。在Nature，Nano Letters等国际知名杂志上以第一作者身份发表论文九篇，博士期间针对二维电子学领域的关键科学瓶颈和底层科学问题进行攻关，实现了近弹道输运的高速二维晶体管，性能和功耗均优于商用硅基先进技术节点。曾获省级优秀毕业生、研究生“校长奖”、研究生国家奖学金等荣誉。

徐琳博士

香港大学研究助理教授。2020年于北京大学信息科学技术学院取得理学博士学位。从事后摩尔未来节点纳米器件结构和物理研究，以及锂离子电池电化学模型研发。在Nature，Science，Nature Electronics，Nature Communication，Science Advance，IEEE Transactions on Electron Device，Applied Physics Letters，IEDM等国际知名杂志和会议上发表学术成果四十余篇。系统研究了低维材料器件的建模方法，包括紧凑模型、TCAD数值模拟及基于密度泛函的第一性原理计算。利用紧凑模型首次研究顶栅碳纳米管器件弹道率，在理论上证明了狄拉克源具有跨导增强的特性，利用TCAD数值模拟设计新型抑制双极性输运器件结构，基于第一性原理系统研究了二维材料的去钉扎欧姆接触和器件性能极限等若干关键科学问题，专注于探索后摩尔先进节点器件的底层物理。