通过降维实现对称且卓越的性能：一维GaN纳米线GAA晶体管

《Chinese Journal of Physics》：Achieving Symmetric and Excellent Performance by Reducing Dimension: 1D GaN Nanowire GAA Transistors

研究采用ab initio量子传输模拟，优化3 nm门全围GaN纳米线场效应晶体管的掺杂浓度和下叠长度，实现n/p型对称高性能，超过国际技术路线图Angstrom节点目标，支持未来CMOS集成电路发展。

　　

洪丽|强胡|马宏阳|刘凤斌|卢静

华北理工大学机械与材料工程学院，中国北京100144

摘要

一维（1D）纳米线（NW）结构可以减轻由于量子限制效应在体材料中常见的电子和空穴有效质量的高不对称性。全环绕栅极（GAA）架构代表了下一代最先进的CMOS制造技术，它取代了三栅极Fin结构。在这项研究中，我们采用从头算量子传输模拟方法来评估具有3纳米栅极长度的n型和p型GaN NW场效应晶体管（FET）。优化后的器件表现出对称性和优异的性能，n型和p型器件的导通电流分别为751/705和1701/1531 μA/μm，延迟时间分别为0.091/0.11和0.072/0.072 ps，功耗分别为0.041/0.046和0.0723/0.066 fJ/μm，适用于低功耗和高性能应用，超过了国际器件与系统路线图在Angstrom节点所规定的性能基准。此外，GaN NWFET在低功耗操作中表现出明显优势，具有更低的漏电流（优于Si、InAs、Sb₂Se₃和CNTs NWFET）和更高的导通电流（优于SiX₂、SbSI和Te NWFET）。这些发现有力地支持了GAA GaN NWFET作为未来Angstrom尺寸CMOS集成电路关键组件的可行性。

引言

将维度降低到一维（1D）纳米线（NWs）是一种有效的方法，可以减轻由于量子限制效应而在体材料中固有的电子和空穴有效质量的不对称性[1]。此外，1D通道天然兼容新兴的全环绕栅极（GAA）场效应晶体管（FET）架构，这是实现亚3纳米技术节点摩尔定律的下一代解决方案[2]。与2D和3D通道相比，1D通道具有更高的载流子迁移率和平均自由路径，同时减少了背散射，从而实现了接近弹道传输和性能的提升[3]。此外，随着直径的减小，自然长度尺度缩短增强了栅极控制[1,4]。理论上，先前的研究预测GAA NWFET在亚5纳米尺度下适用于高性能（HP）应用[1,[4], [5], [6], [7], [8], [9]]。然而，关于低功耗（LP）应用的报道有限，主要是由于这些NW通道的带隙较窄。

氮化镓（GaN）是一种III-V族半导体，由于其宽带隙、高电子迁移率、热稳定性、高击穿电压以及适用于高频操作等优点，成为硅之外的有前途的通道材料[[10], [11], [12]]。除了晶体管应用外，GaN纳米线还被应用于多种领域，如肖特基二极管[13]、场发射器件[14]、光电传感器[15]、锂离子存储[17]和水分解的光阳极[18]。1D GaN NWs通过自上而下和自下而上的方法制备[19]，据报道，薄NWs的直径范围为5至35纳米，优先沿着纤锌矿GaN的c轴方向生长[[20], [21], [22], [23], [24]]。关于GaN NWFET的研究主要集中在n型性能上，因为GaN具有已知的高电子迁移率。实验上，已经制备了直径在45至120纳米之间、通道长度在数百纳米量级的n型GAA GaN NWFET，显示出在低电压/低功耗应用中的潜力[[25], [26], [27]]。理论上，使用半经验传输方法对直径为1.6～2.8纳米、栅极长度为3～7纳米的n型GAA GaN NWFET进行了模拟[[28], [29], [30]]。其中，一个截面为三角形的器件表现出优异的性能，包括62 mV/dec的亚阈值摆幅、2?×?10⁶ μA/μm²的驱动电流和2.6?×?10^-32 Js的能量延迟，与模拟的Si NWFET相比[28]。因此，有两个有趣的问题出现了：使用从头算传输方法评估时，超大规模的GAA GaN超薄NWFET的性能如何？是否可以在GAA GaN NWFET中实现对称的n型和p型性能？

在这项工作中，我们制备了栅极长度为3纳米、直径为1.32纳米的GaN纳米线GAA FET，并使用从头算量子传输计算模拟了n型和p型器件的性能。采用了两种优化策略——掺杂浓度和重叠长度——来提高器件性能。优化后的n型和p型GAA GaN NWFET不仅达到了国际器件与系统路线图（IRDS）的HP和LP目标[2]，而且超越了这些目标。重要的是，无论是LP还是HP应用，都实现了对称性能，显著优于之前报道的GAA FET，特别是在LP场景下[1,[4], [5], [6], [7], [8], [9]]。

计算细节

计算细节

使用QuantumATK R-2020.09软件和密度泛函理论（DFT）研究了GaN纳米线的几何和电子性质[31,32]。在两个非周期性方向上施加了30 ?的真空层以避免周期性相互作用。交换-相关泛函采用广义梯度近似（GGA）处理，使用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）参数化[33]。计算采用了‘PseudoDojo’赝势、‘Medium’基组以及相应的截止参数

GaN纳米线及其研究动机

我们沿着纤锌矿GaN的c轴方向（即<0001>晶轴）制备了纳米线（NW）（见图S1）。图1(a)展示了一个典型的GaN NW，其直径（D_NW）为1.32纳米，周期单元长度（C）为5.25 ?。氢原子用于钝化表面悬挂键，以减少由未饱和键引起的界面陷阱态，从而最小化不希望的载流子散射并增强电荷传输。图1(b)和

结论

总之，我们对3纳米栅极长度的GAA GaN NWFET进行了从头算器件模拟。我们采用了一种同时调整掺杂浓度和重叠长度的协同优化策略，这种方法对其他纳米线器件也具有普遍的指导意义。优化后的器件超过了2037年‘5am eq’节点的IRDS HP和LP目标。重要的是，无论是HP还是LP应用，n型和p型器件都实现了对称的电性能。

CRediT作者贡献声明

洪丽：撰写——原始草稿。强胡：软件、方法论、数据整理。马宏阳：软件。刘凤斌：指导。卢静：指导。