利用漏极态密度工程实现弹道冷源场效应晶体管中偏压无关的亚阈值摆幅
在便携式技术中集成的场效应晶体管迫切需要实现低功耗和对电源电压不敏感的稳定性能。本文提出了一种机制，可在弹道冷源场效应晶体管（CS-FETs）中实现偏压无关的低于 60 mV/dec 亚阈值摆幅（SS）以满足便携式电子器件的需求。第一性原理和量子输运模拟表明，在弹道输运条件下，漏极与源极之间导电模式数（NOCM）的能量对齐对于实现基于 C31/MoS2 的 CS-FET 的偏压无关 SS 至关重要。通过揭示 NOCM 与态密度（DOS）之间的联系，提出了一个器件模型以展示当漏极的 NOCM 与 DOS 在栅极能窗中具有相似斜率时，如何稳定器件在不同偏压下的 SS。本研究强调了漏极 DOS 工程在设计偏压不敏感的 CS-FET 中的重要性，并为便携式电子应用提供了新的设计思路。（Applied Physics Letters, 2024, 124(5). DOI:10.1063/5.0177388）
Janus 型 MgZnXY（X, Y = O, S, Se, Te; X≠ Y）单层材料在短沟道场效应晶体管中的第一性原理研究
探索新的二维材料作为超尺度场效应晶体管（FETs）沟道是维持摩尔定律发展的迫切需求。在本研究中，利用第一性原理计算提出了 Janus 型 MgZnXY（X, Y = O, S, Se, Te; X ≠ Y）单层材料，并计算了其动力学和热稳定性。电子能带结构表明，所有稳定结构均为带隙在 2.03–3.40 eV（HSE06）之间的半导体，并具有极高的电子迁移率。受 MgZnXY 家族优异本征性质的启发，进一步研究了以 MgZnSSe 单层为沟道材料的双栅 n-型场效应晶体管（DG-nFET）的性能。结果显示，栅长低于 5 nm 的 MgZnSSe DG-nFET，在合适的欠叠长度和电极掺杂条件下，其性能优于《国际半导体技术路线图》中规定的高性能（HP）和低功耗（LP）标准。同时，该器件能够实现高达 3620 μA/μm 的开态电流，以及分别为 0.064 ps 和 0.149 fJ/μm 的超低延迟时间和功耗延迟积。此外，我们还研究了所提器件的栅控能力，结果表明，当电极掺杂浓度为 1 × 10¹³ 和 2 × 10¹³ cm⁻² 时，其亚阈值摆幅可分别降低至 73 和 75 mV/dec。研究结果表明，所提出的 MgZnXY 单层材料在未来具有巨大发展潜力，可应用于竞争性的短沟道 FET 中。(ACS Applied Nano Materials, 2024, 7(18): 21747-21756. DOI:10.1021/acsanm.4c03718.)
Ⅲ族（In/Ga）−Ⅴ族（P/As）−Ⅵ族（S/Se）单层材料：一类具有高度各向异性电子/光学/力学/热学性质的新型负泊松比半导体
本文提出了一类二维半导体材料的理论设计，即 Ⅲ 族（In/Ga）−Ⅴ族（P/As）−Ⅵ族（S/Se）单层，其全局最低能结构是基于粒子群优化方法预测得到的。电子结构计算表明，所有 Ⅲ−Ⅴ−Ⅵ 单层均表现出准直接带隙的半导体特性，带隙范围在 1.76 至 2.86 eV（HSE06 泛函）之间。此外，大多数 Ⅲ−Ⅴ−Ⅵ 单层展现出高度各向异性的载流子迁移率，其各向异性比率较大（电子为 3.4−6，空穴为 2.2−25）。G₀W₀ + BSE 计算结果表明，这些单层材料具有较高的光学各向异性和相对较大的激子结合能（0.33−0.75 eV），与 MoS₂ 单层的激子结合能（约 0.5 eV）相当。尤其值得注意的是，GaPS 单层表现出显著的各向异性 I−V 特性，具有高达 10⁵ 的开/关比（GaPS 双层可达 10⁶），并展现出各向异性的晶格热导率。此外，预测 GaPS 单层同时具有面内与面外的负泊松比（NPRs），以及显著的各向异性杨氏模量。（The Journal of Physical Chemistry Letters, 2024, 15(11): 3043-3054. DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c00156.）
n-InSe/m-SnS（GeSe）异质结超快的电荷转移和光电性能
二维范德瓦尔斯异质结（vdWHs）是多功能电子器件和光电器件具有前景的候选材料。在本研究中，基于可重构的能带匹配设计不同层数组合的 n-InSe/m-SnS（GeSe）多层 vdWHs，探索其超快动力学过程及光电器件性能。当 n > 1(3)L 时，能带结构由 Ⅱ 型（staggered）能带对齐转变为 Ⅲ 型（broken-gap）能带对齐，增加层数可以有效拓宽带间隧穿窗口，从而实现可调谐的隧穿场效应晶体管。对于 II 型 InSe/GeSe vdWHs，当 InSe 层数从 1L 增加到 2L 时，超快电子转移时间尺度由 95 fs 缩短至 33 fs。此外，通过层组合调控，多层 n-InSe/m-SnS（GeSe）vdWHs 光电探测器的光电流密度可以显著提升，其中 2-InSe/1-GeSe vdWHs 的光电流密度相比 1-InSe/1-GeSe vdWHs 可提高约 12 倍。本研究为设计低功耗、高速开关的隧穿场效应晶体管和光电探测器提供了有效途径。（Physical Review B, 2024, 110(16): 165409. DOI: 10.1103/PhysRevB.110.165409）
各向异性单层 GaSCl 在 p-型亚10 nm 高性能低功耗场效应晶体管中的模拟研究
二维材料在场效应晶体管（FETs）中已被广泛研究。然而，p-型 FET 的性能仍落后于 n-型，这限制了互补逻辑电路的发展。本研究通过第一性原理计算探讨了各向异性单层 GaSCl 在 p-型 FET 中的电子性质及输运性能。单层 GaSCl 的各向异性电子特性赋予器件优异的性能。在 y 方向上，10 nm 通道长度的高性能（HP）p-型 GaSCl FET 开态电流可达 2351 μA/μm；在 x 方向上，用于低功耗（LP）应用的器件开态电流为 992 μA/μm，开关比超过 10⁷。此外，GaSCl FET 的延迟时间（τ）与功耗积完全符合国际半导体技术路线图（ITRS）对 HP 和 LP 应用的标准。本研究表明，单层 GaSCl 是下一代器件中具有竞争力的 p 型通道材料。（ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, 16(30): 39592-39599. DOI:10.1021/acsami.4c06320.）