基于单层SnX2（X=S，Se）晶体管的电极设计

作     者：张昀沣 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李鸿;周刚

授予年度：2024年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：二维晶体管 单层SnX2 电极效应 开态电流 量子输运计算 

摘      要：半导体技术发展至今已对人类社会产生了深远影响。然而,随着集成电路朝着微型化发展,器件尺寸进入到了亚10 nm级别,短沟道效应的存在使得器件性能难以提升,传统的硅基场效应晶体管（FET）尺寸临近理论极限,摩尔定律面临失效风险。二维（2D）材料具有厚度薄、表面光滑无悬挂键以及载流子传输性能好等优点,被普遍认为是继硅基半导体材料之后延续摩尔定律的最佳选择。其中,单层（ML）SnS和SnSe具有稳定性强、各向异性、以及合适的能隙等优点,受到研究人员的广泛关注。因此,本文选择单层SnS和SnSe为沟道材料,设计基于单层SnS的肖特基势垒场效应晶体管（SBFET）和基于SnSe的隧穿场效应晶体管（TFET）。 对于2D SBFET,块体金属电极与二维沟道间存在着强界面耦合引起的金属诱导间隙态（MIGS）和强费米钉扎效应（FLP）,这对器件性能的影响甚至超过了短沟道的影响。二维金属电极与二维沟道的垂直接触多为范德瓦尔斯（vd W）类型,能有效地避免MIGS和FLP。为2D SBFET寻找能够形成低电阻欧姆接触的二维金属电极具有重要意义。另外,由于SBFET是基于热输运原理的器件,其亚阈值摆幅存在玻尔兹曼热极限（即SS≥60 m V/dec）,这使得器件的供应电压(V)达到0.7 V时难以继续降低,导致功耗居高不下,能源问题日益严峻。TFET作为能够突破玻尔兹曼热极限的器件,可以使SS继续降低至60 m V/dec以下,达到降低功耗的目的,但是也存在着开态电流(I)过低难以实际应用的问题。因此,对TFET,探索出一种能够提升I的方法具有重要意义。 本文采用第一性原理量子输运模拟的方法,对上述问题展开具体研究。选择了单层过渡金属二硫化物（TMDs）、单层过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）以及石墨烯（Graphene）作为单层SnS潜在的电极,对单层金属/SnSvd W异质结（Het J）的接触特性和单层SnSSBFET的器件性能进行研究,希望得到低接触电阻的单层金属电极。采用硅烯（Silicene）/SnSevd W Het J作为SnSeTFET的电极,构建了Het J-TFETs器件模型,得到器件性能参数并验证是否能够提升其I。对上述两种晶体管,我们将国际器件与系统发展蓝图（IRDS,2022版）对晶体管在2037年的预期性能作为对比,来判断其性能优劣。主要成果如下: （1）对单层SnSSBFET的研究中发现,电极与沟道间形成欧姆接触能够有效提升器件性能。研究发现,单层1T-Nb Te、单层ScNF、单层MoNF、单层NbCF和单层石墨烯电极与单层SnS之间形成了n型欧姆接触或准欧姆接触。采用欧姆接触的1T-Nb Te电极的n型单层SnSSBFET,在栅长（L）为10nm和V为0.5 V时,其低能耗（LP）和高表现（HP）器件的I、延迟时间（τ）、能量损耗（PDP）等性能参数均超过了IRDS对晶体管在2037年的预期。相比之下,采用肖特基接触2H-Nb Te电极的n型单层SnSSBFET器件性能显著下降。我们的研究为n型单层SnSSBFET提供了理想的电极选择,也为进一步的理论和实验研究提供了指导。 （2）对单层SnSeHet J-TFET的研究中,硅烯/SnSevd W Het J能有效提升开态电流。研究发现用p型硅烯/SnSevd W Het J作为n型Het J-TFET的电极,或者用n型硅烯/SnSevd W Het J作为p型Het J-TFET的电极时,器件表现出最佳性能。其中n型Het J-TFET性能（特别是开态电流）提升明显,在V为0.5/0.4V时,其做LP/HP器件均超过了IRDS对晶体管在2037年的预期。通过进一步研究分析发现,这是由于窄的能隙降低了隧穿势垒,从而增加了隧穿几率,并且高度杂化的能带产生了新的隧穿路径。我们的研究提出了一种提升TFET的I的方法。