孙熙宸
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孙熙宸 2019-12-09
来源:材料人
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.
来源:icailiaoren 材料人
原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5ODcyMzk0Mg==&mid=2651063978&idx=5&sn=621efce4ecbf6f91445e0ffe498509a6&chksm=bd36cea38a4147b57af25a198731fcfbccc4ebd8a085f20839e49f37111aeff3a2f14acf0277&scene=27#wechat_redirect
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