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以二维GaSb为沟道材料的晶体管的量子输运模拟

2021-12-09

 

随着技术的发展,金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)的尺寸进一步减小,传统的硅基场效应管难以满足性能的发展要求。超薄硅晶体管是其中一个解决方向,但是当硅的厚度减小到一定程度时,会出现非理想的载流子散射问题,因此我们需要寻找可以替代的其他材料。

石墨烯的发现打开了二维材料的大门。近年来的研究表明,二维材料的原子大小的厚度能够大大提升门控制能力,并且其表面没有悬挂键,有利于载流子更快地传播,从而在电学、光学上表现出了特殊的性能。因此二维材料被认为是延伸摩尔定律的下一代候选材料。而大部分III-V族半导体有比硅更快的载流子迁移率。其中,研究表明单层的二维GaSb材料比同族的单层GaN,GaP,GaAs的载流子迁移率更高。

北京邮电大学屈贺如歌副教授课题组基于第一性原理,探究了不同层二维GaSb材料、在该材料的两面吸附氢原子后的电学性质,而且模拟计算了以这些材料为沟道材料的10 nm门长MOSFET的开关性能。结果表明,单层二维GaSb材料具有更宽的能带宽度,而且其作为沟道材料的MOSFET性能比双层材料器件的表现更好,不仅具有更高的开电流,还具有更小的亚阈值摆幅、更大的跨导,这些都表明了该器件具有更优秀的开关控制能力。此外,单层GaSb材料MOSFET的延迟时间和能耗也更低,无疑比双层材料晶体管体现出更好的特性。而吸附氢原子对材料和器件的影响则是依情况而定。比如在p型GaSb晶体管中吸附氢能够提升开电流,但是n型GaSb晶体管中结果则相反。而与其他材料如硅材料的晶体管相比,二维GaSb材料MOSFET具有更好的性能。

该研究揭示了III-V族二维材料GaSb的性能,为短沟道器件的材料选择提供了新的参考方向。

图1. 探究的四种二维GaSb材料的结构和能带图。(a) 单层GaSb材料。(b) 吸附氢后的单层GaSb材料。(c) 双层GaSb材料。(d)吸附氢后的双层GaSb材料。

图2. 单层和双层二维GaSb材料的n型和p型晶体管的性能参数,以及与其他已有研究的材料的10 nm晶体管的对比。(a) 开电流Ion—有效质量m*。(b) 亚阈值摆幅SS—跨导gm。(c) 能量耗散PDP—延迟时间τ。

Quantum transport simulation of the two-dimensional GaSb transistors

Panpan Wang, Songxuan Han, Ruge Quhe

J. Semicond. 2021, 42(12): 122001

doi:?10.1088/1674-4926/42/12/122001

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/12/122001?pageType=en

来源:第12期半导体学报中文导读

 



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