《Nature Communications》：van der Waals dielectrics for threshold engineering in two-dimensional field effect transistors
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本期研究针对二维半导体场效应晶体管在集成到CMOS逻辑电路中时，因阈值电压不理想而导致功耗过高的问题。研究人员系统性地探索了包括LaOBr等金属氧卤化物及LiInP2S6等双金属硫代磷酸盐在内的高κ范德华介电材料。研究发现，基于双金属硫代磷酸盐可实现二维晶体管非易失性的阈值电压调控，并成功构建了静态功耗降低近三个数量级、同时保持高速开关性能的二维CMOS反相器。这项工作为实现无需额外休眠晶体管的内置电源门控、优化功耗-性能-面积指标提供了关键途径。
在追求更小、更快、更节能电子器件的道路上，二维半导体材料被视为下一代晶体管的希望之星。它们仅由原子层构成，拥有优异的电学特性。然而，当科学家们试图将基于二维半导体的场效应晶体管(FET)集成到主流的互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑电路中时，却遇到了一个棘手的“拦路虎”：这些晶体管的阈值电压(Vth)往往不理想。阈值电压是决定晶体管开关状态的关键电压值，它的失调直接导致了电路在待机时消耗过多的静态功耗，这与现代电子设备对低功耗的迫切需求背道而驰。过去的研究大多集中于改善栅极静电控制和实现接近理想的亚阈值摆幅(SS)，但对于二维晶体管阈值电压的系统性“调控工程”，却仍是一片待开垦的处女地。为了解决这一核心瓶颈，一项发表于《Nature Communications》的研究应运而生，旨在为二维晶体管“量身定制”其阈值电压，从而打开通往超低功耗集成电路的大门。
为了探索系统性的阈值电压调控方案，研究人员主要运用了材料制备与器件构筑、电学性能表征、以及行业兼容的仿真建模这几项关键技术。他们首先制备并研究了多种高介电常数(高κ)的范德华(vdW)介电材料，包括金属氧卤化物和双金属硫代磷酸盐两大类。随后，将这些介电材料与典型的n型单层MoS2和p型双层WSe2半导体结合，构建出场效应晶体管，并对其进行详细的电学测试。最后，结合实验数据，利用业界标准的SPICE模型进行电路级仿真，以评估不同阈值电压设置对整体电路功耗和性能的影响。
高κ范德华介电材料的筛选与评估
研究人员系统评估了LaOBr、BiOBr、BiOCl等金属氧卤化物，以及LiInP2S6(LIPS)、LiInP2Se6(LIPSe)和CuInP2S6(CIPS)等双金属硫代磷酸盐。研究表明，双金属硫代磷酸盐类材料在与二维半导体形成范德华异质结时，展现出独特的优势。
双金属硫代磷酸盐实现可编程非易失性Vth调控
本研究的核心发现是，基于双金属硫代磷酸盐介电层的二维FET，能够实现可编程且非易失性的阈值电压调控。这一调控机制源于材料中的离子迁移效应。通过施加特定的栅极电压脉冲，可以驱动介电层内的离子（如锂离子、铜离子）发生可控的迁移和重新分布，从而永久性地改变半导体沟道处的电场和载流子浓度，实现对Vth的精确设定。该调控在n型MoS2和p型WSe2晶体管中均得到验证，证明了其普适性。
基于离子调控Vth的低功耗二维CMOS反相器
利用上述离子介导的Vth调控技术，研究人员成功构建了由n型MoS2和p型WSe2晶体管组成的CMOS反相器。通过将晶体管的阈值电压优化设定在理想的“关断”状态，他们实现了反相器静态功耗的大幅降低——与未优化的器件相比，功耗降低了近三个数量级。更重要的是，这种功耗的降低并未以牺牲速度为代价，器件仍然保持了很高的开关速度。
通过SPICE建模确定最优Vth窗口
为了将器件级的突破转化为电路级和系统级的收益，研究结合实验数据进行了行业兼容的SPICE仿真。模型识别出了一个最优的阈值电压窗口。在此窗口内设定Vth，可以在引入可忽略的延迟开销的前提下，最小化电路的整体功耗。这一发现至关重要，因为它意味着无需在电路中添加额外的、占用面积的“休眠晶体管”，即可实现高效的“内置电源门控”，从而全面优化电路的功耗-性能-面积(PPA)指标。
本研究得出结论，双金属硫代磷酸盐作为一类新型范德华介电材料，为二维半导体的阈值电压工程提供了强大而灵活的工具。其独特的离子迁移特性使得对晶体管Vth的可编程、非易失性调控成为可能。基于此技术制备的二维CMOS反相器，在显著降低静态功耗的同时，未损害其开关性能。通过实验与SPICE建模的结合，研究明确指出了实现最优电路能效的Vth设计窗口。这项工作的意义在于，它系统地解决了二维半导体走向实际CMOS应用的一个关键障碍——阈值电压控制，为实现无需额外 overhead 的超低功耗二维集成电路铺平了道路，有望推动二维半导体技术在下一代节能电子器件中的实际应用。
