北大Nature创纪录：世界上速度最快能耗最低的二维半导体晶体管

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）