第一性原理量子输运模拟亚5nm单层锗烷晶体管的性能限制 二维锗由于其较低的有效质量和较大的电子—空穴迁移率，被认为是一种有前途的取代硅的新型沟道材料。本文研究了栅极长度(Lg)小于5 nm的单层锗烯晶体管的输运特性。结果发现，Lg为3 nm和5 nm的n型锗烯晶体管符合国际半导体技术路线图(ITRS)对高性能(HP)器件的开态电流(Ion)、有效延迟时间和功率时延迟乘积的要求。值得注意的是，通过引入负电容(NC)介电层，Lg为5 nm的p型锗烯晶体管几乎能够满足HP器件的ITRS要求。尽管通过加入NC介电层将栅极长度减小到2nm，但n型和p型的开态电流仍然满足大约80%的ITRS标准。因此，单层锗烯作为沟道材料在亚5nm尺度下的HP应用具有很大的潜力。(Journal of Applied Physics, 2024, 135(13). DOI:10.1063/5.0192389) 第一性原理研究应变调节MS2/硼烯和MSeS/硼烯(M = Cr, Mo, W)异质结构的电子性质、界面接触和输运性质 控制界面接触性能以形成低阻欧姆接触对设计低功耗二维器件具有重要意义。本文利用密度泛函理论(DFT)结合非平衡格林函数(NEGF)方法，研究了具有狄拉克锥的二维半金属硼烯与MS2、MSeS/硼烯(M = Cr, Mo, W)的不同接触类型。结果表明，在无应变的情况下，不同的范德华异质结(vdWHs)表现为n型(p型)Schottky接触类型，其中CrS2/硼烯vdWHs具有较低的势垒高度(Φn = 0.08 eV)。其次，我们发现面内应变比垂直应变更有效。在面内应变调制下，随着拉伸应变的增大，接触类型由肖特基接触转变为欧姆接触。同样，随着压缩应变的增加，接触类型也会从肖特基型转变为半导体型。在垂直应变的影响下，只有当层间距增加到0.4Å以上时，CrS2/硼烯vdWHs才转变为欧姆接触。最后，还研究了基于器件角度的欧姆接触形成和输运特性。这些发现表明，界面接触类型可以通过应变有效地调节，这对于设计和制造由硼烯基vdWHs组成的新型纳米电子器件至关重要。(Applied Surface Science, 2024, 652: 159363. DOI:10.1016/j.apsusc.2024.159363) 第一性原理研究biphenylene, net-graphene, graphene+, and T-graphene的电子性质 自石墨烯分离成功以来，碳材料以其优异的物理化学性能吸引了大量研究者的兴趣。本文将密度泛函理论与非平衡格林函数相结合，系统地研究了biphenylene、net-graphene、 graphene+和T-graphene的电子结构。结果表明，四者均表现出金属性质，其中biphenylene和net-graphene表现出各向异性，而graphene+和T-graphene表现出各向同性。此外，还系统地研究了基于net-graphene纳米带的纳米器件在扶手椅形和锯齿形方向上的电子输运特性，发现在扶手椅形和锯齿形方向上存在显著的负微分电阻特性，表明net-graphene纳米器件在未来的电子纳米器件中具有良好的实际应用前景。（RSC advances, 2024, 14(12): 8067-8074. DOI: 10.1039/D4RA00806E） DFT研究单层Si9C15的纳米电子学和光催化应用以改善其电子输运和光学性质 二维碳化硅材料因其与当前硅基技术的兼容性而脱颖而出，在纳米电子学和光催化方面具有独特的优势。在本研究中，我们采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法研究了实验合成的单层Si9C15的电子性质、输运特性和光电性质。发现Si9C15在a方向上的电子迁移率(706.42 cm2V -1s -1)与空穴(432.84cm2V -1s -1)相比具有显著的方向各向异性。电输运计算表明，具有3nm沟道长度的构型在偏压下显示开态，峰值电流达到150 nA。此外，该最大电流值在拉伸应变下升级到200 nA，与5nm通道相比增加了约100倍，5nm通道仍处于关闭状态。Si9C15具有较高的光吸收系数(~105cm-1)且满足pH 0-7下水分裂的能带边缘位置。施加1 ~ […]

研究背景 晶体管是集成电路的基本单元，是上世纪人类最伟大的发明之一。过去近六十年间，晶体管尺寸遵循摩尔定律不断缩小，相应的性能不断提升。但是，随着晶体管尺寸缩小，特别是小于几纳米时，晶体管的功耗会显著增加，极大地制约着新一代器件的设计和制备。在考虑动态功耗和静态功耗下，晶体管的功率密度受晶体管密度、工作频率等因素影响；特别是和电源电压平方正相关。因此，探索晶体管降低电源电压的有效机制，已成为设计下一代低能耗晶体管等电子器件一个重要途径。 研究内容 近日，重庆三峡学院谭兴毅教授、南京理工大学张胜利教授、华中科技大学傅华华教授等，利用二维材料的金属-半导体相变并结合隧道场效应，提出了一种新型具有低电源电压的晶体管设计(见图1)。该晶体管可在极低电源电压(0.05/0.10 V)和极短栅极长度(3~5 nm)下，其开态电流（Ion）、功耗延迟积（PDP）和延迟时间（τ）等关键参量，都很好满足2013版国际半导体技术路线图（ITRS）所规定的对高性能器件要求。特别是其功耗延迟积与延迟时间，显著小于当前报道的所有晶体管，该设计为下一代低功耗晶体管提供了新思路。 图1. 隧道场效应晶体管原理，开态(a);关态(b)。金属-半导体相变晶体管原理，开态(c)：沟道材料为金属；关态(d)：沟道材料在外电场作用下变为半导体。常规的隧道场效应晶体管原理如图1所示：开态(a)，关态(b)。金属-半导体相变晶体管原理，开态(c)：沟道材料为金属；关态(d)：沟道材料在外电场作用下变为半导体。 图2. (a) 金属-半导体相变晶体管结构图。器件输运特征曲线：(b) 栅极长度3 nm, (c)栅极长度4 nm, (d) 栅极长度5 nm作者计算了栅极长度为3，4，5 nm器件的输运特性，发现栅极长度为3，4，5 nm器件可以达到ITRS中高性能器件的开态电流（900 µA µm-1）；栅极长度为4，5 nm器件可以达到ITRS中高性能器件的关态电流（0.1 µA µm-1）。 图3. 器件的PDP与τ关系 作者计算了器件的功耗延迟积（PDP）和延迟时间（τ），发现其功耗延迟积与延迟时间，显著小于当前报道的所有晶体管。 结论 综上所述，本工作利用金属-半导体相变构建了一种新型晶体管，该晶体管具有极低的电源电压和极低的功耗。这不仅为设计下一代低功耗电子设备开辟了新的途径，而且对于推动电子设备向更高能效和更小体积的方向发展具有重要意义。此外，这种新型晶体管的设计和实现，预示着未来电子设备在能效和性能上的巨大飞跃，对于节能减排和可持续发展具有深远的意义。 参考文献 Xingyi Tan, Hengze Qu, Jialin Yang, Shengli Zhang* and Hua-Hua Fu*. A next-generation transistor with low supply voltage operation constructed based on 2D materials’ […]

背景简介 由于硅固有的物理限制，将硅基金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）持续缩小到 10 纳米栅极长度以下是非常具有挑战性的。而具有各向异性电子结构的二维半导体往往表现出相当高的导通状态电流，因此在纳米电子器件中具有很好的应用前景，但寻找稳定的、各向异性的二维半导体仍然是一个充满挑战性的研究。 研究内容 FIG. 1.单层 B4X4 的 (a) 原子结构、(b)3c-2e 键和 2c-2e 键、(c) 布里渊区、(d)-(f) 能带结构和投影态密度（PDOS）。 本文选取各向异性二维卤化硼烯 B4X4 (X = F, Cl, and Br) 家族材料为例，在这项工作中，计算研究了基于具有各向异性电子结构的单层 B4X4 的 5 nm 栅长 n 和 p 型高性能（HP）MOSFETs 的输运特性。单层 B4F4、B4Cl4 和 B4Br4 的带隙分别为 0.70、1.39 和 1.19 eV。通过应变工程可以扩大单层 B4F4 的小带隙，从而有效地将关态电流抑制在 0.1μA/μm 以下，同时将开态电流提高到 3140μA/μm。值得注意的是，研究表明过大的输运有效质量 m// 和态密度有效质量 mDOS 会导致载流子注入速度降低和饱和电流减小，从而严重限制了导通状态电流。因此在设计 2D 半导体 MOSFET […]