研究背景 对于后摩尔器件来说，如何降低功耗是器件在微缩尺寸过程中面临的关键挑战之一。受到热载流子输运的限制，传统的场效应晶体管存在 60 mv /dec 的亚阈值摆幅（SS），严重限制了器件的功耗。值得注意的是，基于带间隧穿机制的隧穿场效应晶体管（TFET）是低功耗电子器件的潜在选择。例如，基于 $\mathrm{MoS_2}$ 的 TFET 具有低至 31.1 mV/dec 的陡峭 SS 特性，展现了二维材料在 TFET 中的巨大潜力。然而，如何在材料电子特性与器件性能之间建立模型来描述二者之间的物理关联一直是二维电子学面临的巨大挑战。因此，有必要对材料电子结构与器件输运特性之间的内在机理进行系统的研究，为后摩尔二维器件沟道材料的筛选提供更具体的方向。 基于此，南京理工大学张胜利教授团队提出了一种从原子尺度筛选 TFET 沟道材料的高通量研究策略，通过第一性原理结合非平衡格林函数的方法，系统地探索了二维材料物性与器件输运之间的内在物理关联，通过对材料晶系、电子性质和量子输运的系统考察，揭示了器件亚阈值摆幅与有效质量间的指数依赖关系。该研究结果对发展后摩尔时代二维低功耗电子器件具有重要的指导意义。 研究内容 首先，作者利用第一性原理的高通量计算方法筛选了近 50 种常见的二维材料，并提取了两种可能决定晶体管输运特性的关键电子结构性质，即带隙和有效质量。作者构建了 10 纳米沟道长度的二维 TFET 器件，揭示了因电子特性差异表现出的器件转移特性曲线的显著不同，主要体现在饱和电流以及亚阈值摆幅两个方面，并对上述两个输运特性指标进行划分，展现了位于最佳器件性能区域的材料。 图1. 近50种二维TFET沟道材料及其晶体结构示意图。 为了考察沟道材料中电子与空穴对器件输运性质的影响，本工作定义了简化有效质量 $m_r$，$\frac{1}{m_r}=\frac{1}{m_e}+\frac{1}{m_h}$，其中 $m_e$ 和 $m_h$ 分别为电子和空穴有效质量。作者探究了沟道材料的电子结构对二维 TFET 器件传输特性的影响机理，揭示了带隙、有效质量与器件饱和电流、亚阈值摆幅之间的物理关联。研究结果表明，对于具有相同晶系的二维材料，饱和电流几乎是随着带隙的增大而减小。要想实现高饱和电流和陡峭亚阈值摆幅的器件性能，二维沟道材料需要同时具有小的带隙和大的简化有效质量特征。 图2 二维TFET器件性能与沟道材料物性之间的物理关联。 进一步，将沟道材料按照晶系分为单斜、三角、四方和立方晶系四类，揭示了不同晶系结构下简化有效质量（$m_r$）与亚阈值摆幅（SS）之间的指数函数关系$SS=Ae^{Bm_r}+C$ （A，B，C 为系数）。特别地是，具有正交和三角晶系的二维材料更容易具有陡峭SS特性，当简化有效质量 $m_r<0.2m_0$ 时，展现出沟道材料在二维低功耗 TFET 器件中的应用潜力。通过将材料物性与器件性能关联，能够为设计、寻找到潜在的具有陡峭 SS 特性的二维沟道材料提供理论指导。 小结 该工作提出了一种从原子尺度筛选 TFET 沟道材料的高通量研究策略，利用第一性原理的高通量计算方法，探索了二维材料的隧穿输运机理。通过对近 50 种二维材料构建了 […]