研究背景 随着集成电路器件尺寸持续向亚 5 nm 尺度推进，传统硅基 MOSFET 在短沟道效应、量子隧穿及功耗控制等方面面临严重瓶颈，难以满足未来高性能与低功耗芯片的发展需求。如何在极限尺度下实现高驱动电流、低泄漏及良好的栅控能力，并能够与现有硅基工艺相兼容，有效利用现有器件制造技术，成为下一代晶体管研究和应用亟须解决的关键问题。 研究内容 该研究针对超短沟道 MOSFET 性能提升这一核心问题，基于一类具有硅基工艺高度兼容性的二维单层材料 MNH2（M, N = C, Si, Ge），在保证高载流子输运能力的同时实现与现有工艺体系的良好兼容，为器件实际应用提供基础。该工作系统地开展了器件物理与量子输运研究，并构建适用于亚 5 nm 尺度的双栅 MOSFET 模型，深入分析其输运特性与性能极限。 图 1. MNH2单层几何结构及电子性质 研究结果表明，通过引入 Underlap 结构对沟道势垒进行调控可有效抑制短沟道效应并降低漏电流，从而在保证高导通电流的同时实现低功耗运行。通过系统分析不同结构参数对器件性能的影响，揭示了超短沟道条件下电流输运由隧穿机制向热发射机制转变的关键物理过程，从机理上实现器件性能的优化与提升。 图 2. 二维 MNH2 MOSFET 器件结构及输运特性 在器件性能方面，基于 MNH2 材料构建的 MOSFET 在亚 5 nm 尺度下表现出显著优势。在 5 nm 栅长条件下，器件导通电流最高可达 4157 μA/μm（n 型）和 3527 μA/μm（p 型），显著优于多数已报道的二维半导体器件。同时，器件的亚阈值摆幅最低可达 58 mV/dec，接近传统 MOSFET 理论极限，表明其具有优异的栅控能力和开关特性。 图 3. 二维 MNH2 MOSFET 开态电流特性比较 在动态性能方面，该类器件的延迟时间和功耗延迟积均远低于国际半导体技术路线图（ITRS）2028 指标要求，体现出良好的高速与低功耗特性。此外，在栅长进一步缩小至 3 nm 时，器件仍能够保持较高性能并满足高性能应用需求，显示出优异的尺度可扩展能力。与现有二维材料相比，该体系在驱动电流、功耗及综合性能方面具有明显优势，同时具备良好的工艺兼容性，为实际应用提供了重要基础。 值得注意的是，该体系呈现出良好的 n-p 对称性，适于用作 CMOS 器件。该研究系统证明了 MNH2 二维材料在亚 5 nm MOSFET 中的应用潜力，实现了高性能、低功耗与工艺兼容性的综合平衡，为后硅时代晶体管设计提供了新的技术路径和理论依据。 图 4. 二维 MNH2 MOSFET 功耗延迟积特性比较 总结 该研究面向先进微电子与集成电路领域，在下一代超大规模集成电路、低功耗高性能芯片以及新型二维半导体器件中具有重要应用前景。由于 MNH2 材料体系在电学性能与硅基工艺兼容性之间实现了良好平衡，可作为亚 5 nm 及以下节点 MOSFET 的潜在候选沟道材料，为先进制程技术提供新的解决方案。 在高性能计算、人工智能芯片以及移动终端等领域对器件功耗与性能的要求不断提升，该研究提出的材料与器件有望显著提升芯片能效比。同时，由于其 n 型和 p 型器件性能均衡，具备良好的 CMOS 集成潜力，可支持未来新型逻辑器件的发展。随着后硅时代电子技术的持续演进，该成果有望在纳米电子器件及高端芯片制造中发挥重要作用，具有良好的应用前景与推广价值。 参考文献 Hao-Ran Hu, Yan-Dong Guo, et al. Monolayer MNH2 (M, N = C, Si, Ge): Enabling sub-5-nm MOSFETs compatible with silicon-based manufacturing. Physical Review Applied, 2026, 25, 014058 […]

基于 WTe2 单层的超灵敏、可回收 FET 型有毒气体传感器 场效应晶体管（FET）型气体传感器因其功耗低、灵敏度高而吸引了大量研究人员的关注。然而，对其传感能力和内在机理的理论探索仍然十分匮乏。本文以单层纯 WTe2 和缺陷 WTe2 为传感平台，利用第一性原理计算和统计热力学模型，系统地研究了 FET 型气体传感器对 SO2、CO、NO、NH3 和 NO2 等多种有害气体的传感特性和工作原理。研究结果表明，基于纯 WTe2 的 FET 型气体传感器在零栅压下工作时，对 NO2 的检测具有极高的灵敏度和重复使用性，在 20 ppb 低浓度下的灵敏度达到 96%。引入 Te 空位是一种高效的策略，可以提高气体传感器对所有测试有毒气体的灵敏度，同时确保其可重复使用性。在基于纯 WTe2 的 FET 型气体传感器上施加栅压可进一步提高其对 NO2 的灵敏度，在整个偏压范围内超过 90%，在 3 V 栅压下达到 97%。本研究为实现 ppb 级浓度有毒气体的超灵敏和可回收检测提供了一种前景广阔的方法。 Journal of Materials Chemistry A, 2024, 12(39): 26951-26961. DOI :10.1039/D4TA02739F 金修饰的黑磷：氮氧化物去除剂和氢传感器 有效检测有毒气体和清洁能源氢气是工业生产和日常生活的迫切需要。本文通过密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，从理论上研究吸附/掺杂金的黑磷单层对六种不同气体（CO、H2、H2S、NO、NO2 和 SO2）的传感特性。计算得出的吸附能、电荷转移、电子局域函数、能带结构和态密度表明，吸附/掺杂金的黑磷对氮氧化物气体表现出敏感的化学吸附。而令人惊讶的是，掺杂金的黑磷对 H2 分子表现出敏感的物理吸附。计算得出的恢复时间和电流电压曲线表明，吸附/掺杂金的黑磷器件是一种超灵敏（灵敏度为 71%-100% ）的氮氧化物分子去除器。更重要的是，掺杂金的黑磷传感器可在室温下实现对 H2 的高灵敏度（灵敏度为 85%）、选择性和可重复使用性（恢复时间为 0.01 ns）检测。本研究结果为吸附/掺杂金的黑磷在气体传感领域的潜在应用提供了理论依据，尤其是在理想的氮氧化物去除剂和 H2 传感器方面。 Applied Surface Science, 2024, 651: Article 159194. DOI:10.1016/j.apsusc.2023.159194. 利用新型二维五边形 Pd2P2SeX（X= O、S、Te）pin 结纳米器件设计高性能场效应、应变/气体传感器：传输特性研究 在现代纳米器件领域，获得高开关性能并在高精度环境中实现传感检测功能至关重要。二维（2D）Pd2P2SeX（X = O、S、Te）具有优异的几何、物理和化学特性，可以结晶成具有间接带隙的正交结构。基于这些基本特性，通过第一性原理对二维 Pd2P2SeX pin 结器件进行建模以模拟场效应晶体管、高开关比应变传感器和基于化学吸附的气体传感器。Pd2P2SeX pin […]

基于单层 PtSe2 的低功耗高性能 MOSFETs 的量子输运模拟 探索更多摩尔电子器件的新型沟道材料是一件有趣的事情。由于其各向异性电子特性、优异的稳定性和高载流子迁移率，单层（ML）PtSe2 是一种很有前途的沟道候选材料。通过 underlap 工程，利用量子输运模拟评估 sub-5nm ML PtSe2 MOSFETs 的性能极限。研究结果表明，优化后的 5 nm 栅极长度的 n 型和 p 型 ML PtSe2 MOSFETs 在低功耗（LP）和高性能（HP）应用方面都超过了国际器件和系统路线图（IRDS），并且与先前报道的ML MoS2 和 MoTe2 MOSFETs 相比表现出卓越的性能。值得注意的是，在漏极附近引入 p-n 结进一步提高了 3 纳米栅极 ML PtSe2 MOSFETs 的性能，超过了 IRDS HP 基准。重要的是，在适用于 LP 应用的 5 纳米栅极 ML PtSe2 MOSFETs 和适用于 HP 应用的 3 纳米栅极 ML PtSe2 MOSFETs 中观察到几乎对称的器件特性，这有利于同质逻辑电路的设计。（Surfaces and Interfaces, 2025: 107550. DOI:10.1016/j.surfin.2025.107550） Janus […]