用于高性能场效应晶体管的二维Na?LiAlP?晶体

《Applied Surface Science》：Two-dimensional Na 2LiAlP 2 crystal for high-performance field-effect transistors

二维Na2LiAlP2半导体材料通过非平衡格林函数法模拟显示，其5nm沟道长度的n型MOSFET在0.1V电压下亚阈值摆幅仅30.33mV/dec，on-state电流达16220μA/μm，全面超越ITRS标准，同时7nm沟道p型器件亚阈值摆幅接近50mV/dec，为低功耗集成电路提供新途径。

　　

彭润杰|王星宇|袁俊辉|余年念|薛侃浩|王家福|张攀

武汉理工大学物理与力学学院，中国武汉430070

摘要

高性能、低功耗的晶体管是先进集成电路的核心组件，而摩尔定律的极限已经使得寻找新的替代途径成为当务之急。二维（2D）材料因其卓越的电子特性和优越的可扩展性而成为最有前景的候选材料。在这项研究中，我们利用非平衡格林函数方法对先前提出的二维四元半导体Na₂LiAlP₂进行了器件传输特性研究。结果表明，即使通道长度为5纳米，Na₂LiAlP₂仍表现出优异的n型晶体管特性，完全满足并超过了《国际半导体技术路线图》（ITRS）中规定的技术规格。令人鼓舞的是，该器件在0.1伏和0.2伏的低工作电压下能够轻松实现900微安/微米的导通电流。此外，在0.1伏的工作电压下，器件的亚阈值摆幅突破了60毫伏/分之一的理论极限，达到了惊人的30.33毫伏/分之一的值。同时，当通道长度为7纳米时，其p型晶体管的亚阈值摆幅也达到了约50毫伏/分之一的水平。我们的研究不仅展示了Na₂LiAlP₂的卓越晶体管特性，还进一步拓展了二维高性能晶体管的研究范围。

引言

自20世纪中叶半导体产业诞生以来，基于硅的晶体管由于其成熟的制造工艺和与天然氧化物的良好接口，主导了全球信息技术的发展。然而，随着摩尔定律接近其物理极限，[1]基于硅的技术面临三个核心瓶颈：首先，当栅极长度减小到10纳米以下时，量子隧穿效应会导致电子能够穿越能量障碍，从而引发漏电流的激增[2]。例如，在5纳米节点的传统基于硅的FinFET中，漏电流密度超过了1000安培/平方厘米，占静态功耗的40%。其次，由于硅的热导率仅为150瓦特每开尔文每米，高密度集成会导致芯片温度超过100摄氏度，直接导致器件失效[3]。最后，载流子迁移率下降，因为在超薄硅体中的载流子会受到更严重的表面散射，显著降低迁移率，从而影响器件的开关速度和驱动能力[4]。

二维（2D）材料由于其原子级厚度（0.3–1.5纳米），有效抑制了短通道效应，使得实现亚1纳米栅极长度的晶体管成为可能[5]。例如，单层二硫化钼（MoS₂）具有1.8电子伏的直接带隙和200厘米平方每秒的超高电子迁移率[6]，其开关比（ON/OFF ratio）超过10⁵，亚阈值摆幅（SS）低至60毫伏/分之一[7]，即使在1纳米栅极长度下也接近理论极限[5]。此外，2D材料表面没有悬挂键，减少了载流子散射，从而实现了高理论载流子迁移率，以及更快的开关速度和更高的导通电流[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。因此，基于2D材料的晶体管对于解决基于硅技术的核心缩放挑战、推动集成电路技术向更小尺寸、更高性能和更低功耗发展具有物理上的必要性[14]。

然而，2D材料的实际应用面临许多限制，例如带隙与迁移率之间的反比关系，以及表面敏感性与稳定性之间的权衡[15]。例如，石墨烯具有高迁移率但带隙为零，而过渡金属硫族化合物（TMDCs）具有合适的带隙但迁移率低。另一方面，黑磷具有高迁移率，但环境稳定性较差，会严重降低器件性能。因此，迫切需要寻找具有适中带隙和高迁移率的2D半导体材料[16]。最近，我们的研究小组提出了一类新的四元化合物半导体A₂BXY₂（A = K, Na; B = Li, Na; X = Al, Ga, In; Y = P, As, Sb），通过分析剥离能量验证了其实验可行性[17]。该系统由III-V族元素组成的稳定的一维链或二维网格结构（[XY₂]^3-构成，具有合适的带隙（0.78–1.94电子伏）和超高的理论载流子迁移率（10⁴至10⁵厘米平方每秒）[18]。当前研究表明，二维四元化合物A₂BXY₂在晶体管应用中具有巨大潜力。因此，对基于A₂BXY₂系统的传输特性和性能极限进行深入研究对于克服传统物理限制、推动器件小型化以及促进低功耗集成电路技术的创新具有重要意义。

在这项工作中，我们利用非平衡格林函数（NEGF）方法系统研究了Na₂LiAlP₂单层的传输特性。我们的计算显示，二维Na₂LiAlP₂具有1.95电子伏的直接带隙，MOSFETs表现出优异的量子传输特性。特别是，5纳米栅极长度的n型Na₂LiAlP₂ MOSFETs的导通电流可超过16,000微安/微米，适用于高性能（HP）应用。此外，我们还评估了低供电电压对器件性能的影响，并与ITRS要求进行了比较。最后，我们对单个器件的性能进行了评估，并将其与一些最近提出的2D材料及其5纳米栅极长度的MOSFETs器件进行了比较。

方法论

晶体结构优化和电子结构计算使用HZWTECH提供的Device Studio中的DS-PAW软件进行，该软件基于平面波基组，截止能量为600电子伏[18]。进一步采用Nanodcal包中的NEGF方法[19]、[20]来计算Na₂LiAlP₂通道的载流子传输特性。NEGF计算中没有进行剪刀校正（scissors correction）。局部密度近似（LDA）被用于

结果与讨论

图1a展示了单层Na₂LiAlP₂的晶体结构。它属于典型的正交晶系，每个单元格包含8个Na原子、4个Li原子、4个Al原子和8个P原子。计算结果显示晶格常数a=11.43埃，b=5.70埃，原子层厚度（h）为4.74埃。晶体结构由五层原子组成，两侧为Na金属层，中间是由III-V族元素Al和P形成的[AlP₂]^3-二维网格结构

结论

总之，我们通过使用DFT和NEGF模拟评估了亚10纳米2D Na₂LiAlP₂ MOSFETs的器件性能极限。在弹道模拟的假设下，沿a方向传输的器件表现出显著更好的性能：在5纳米栅极长度下，亚阈值摆幅低至50.46毫伏/分之一，成功超过了玻尔兹曼极限；同时，导通电流达到了惊人的16,220微安/微米

CRediT作者贡献声明

彭润杰：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究、形式分析、数据管理。王星宇：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究、形式分析、数据管理。袁俊辉：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、监督、软件、资源、项目管理、方法论、研究、资金获取、形式分析、数据管理。余年念：资源、形式分析。薛侃浩：撰写——审稿

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作部分得到了中央高校基本科研业务费（WUT: 2024IVA052）和国家自然科学基金（批准号：62574012）的支持。我们感谢HZWTECH提供的计算设施。