半导体硅烯:一种具有蜂窝-笼目杂化晶格的二维硅同素异形体(ACS Materials Lett. 2021)

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近年来,以 MoS2、黑磷、Be2O2Se、InSe 为代表的二维半导体材料不断涌现,成为新一代电子器件的重要候选材料。然而,目前这些二维半导体材料都面临一个共同挑战,即与硅基半导体工艺的兼容性问题。虽然早在 2012 年即已发现的硅烯(silicene)被寄予厚望,但是原始硅烯是一种准零带隙的半金属,无法直接应用于半导体器件中。山东大学陈杰智教授团队从晶格拓扑结构入手,通过理论分析和计算提出了一种具有优异本征半导体特性的新型二维硅烯材料。该研究从晶格拓扑结构的角度为二维硅烯半导体材料设计提供了一个全新的思路。

图1. 蜂窝晶格与笼目晶格杂化拓扑结构,hhk-silicene几何结构、声子和拉曼谱

作者在二维蜂窝(honeycomb)晶格中引入笼目(kagome)晶格成分,设计了一种蜂窝-笼目杂化(hybrid honeycomb-kagome 简称 hhk) 的晶格拓扑结构。第一性原理计算证实了这种蜂窝-笼目杂化硅烯(hhk-silicene)在室温下具有高度的几何稳定性和热力学稳定性。此外,DFT 计算结果表明 hhk-silicene 是一种典型的本征半导体材料,具有 1.18 eV 的间接带隙以及很高的电子迁移率。当考虑全声子散射时,电子迁移率在室温下可达 360 cm2/Vs;而当抑制了面外晶格振动时(实验上可通过衬底或夹持效应实现),电子迁移率将高达 103-104 cm2/Vs,与在同等条件下蜂窝硅烯的电子迁移率相当。

图2. hhk-silicene 能带结构与态密度,导带(价带)电子密度,载流子有效质量,电子-声子耦合矩阵,载流子迁移率

此外,作者构建了 5 nm 沟道长度的 hhk-silicene 场效应晶体管,并采用 DFT-NEGF 方法模拟了器件的输出及转移特性。器件的输出特性表现出显著的负微分电阻效应,其电流峰谷比(PVR)可高达 106,且峰值电流可达 1774 μA/μm。这一效应主要源于 hhk-silicene 受限于笼目拓扑成分而形成的相对孤立的导带结构。器件的转移特性显示出出色的栅控能力,其开态电流可以很好地满足 ITRS(国际半导体技术蓝图)对 5 nm 高性能器件的要求。此外,与其他多种常见二维半导体晶体管相比,hhk-silicene 晶体管在开态电流和动态功耗方面均表现出了较强的竞争力,充分表明 hhk-silicene 在半导体器件应用方面具有巨大潜力。

图 3. 基于 hhk-silicene 的纳米场效应晶体管结构及器件输出、转移特性

图 4. 与基于其他二维半导体材料的晶体管器件性能对比

参考文献

  • Pengpeng Sang (桑鹏鹏), Qianwen Wang(汪倩文), Wei Wei(魏巍), Fei Wang(王菲), Yuan Li(李元)*and Jiezhi Chen (陈杰智)*  Semiconducting Silicene: A Two-Dimensional Silicon Allotrope with Hybrid Honeycomb-Kagome Lattice.  ACS Materials Lett. 2021, 3, 8, 1181–1188

感谢山东大学李元老师和陈杰智老师课题组桑鹏鹏博士供稿!