各向异性能量色散二维电子结构增强隧穿晶体管带间隧穿输运性能【QuantumATK亮点文章】

Posted · Add Comment

研究背景

基于带带隧穿机制的隧穿场效应晶体管(TFET)有望突破传统 MOSFET 室温下 60 mV/dec 的亚阈值摆幅极限,在下一代低功耗电子器件中极具应用潜力。然而,由于其不理想的载流子隧穿概率,开态电流较低是 TFET 面临的最大挑战。虽然利用减小带隙或重掺杂的方式能够缩短隧穿宽度从而提高隧穿几率,但是这也会造成亚阈值摆幅和关态性能的恶化。因此,探索增强载流子隧穿几率的新策略对新一代低功耗电子器件的发展具有重要意义。

研究内容

鉴于此,基于对第五主族黑磷状二维半导体材料电子结构及其器件量子输运特性的研究,南京理工大学张胜利教授团队,提出了利用二维各向异性能带色散提升 TFET 开态电流的新策略,建立了完全由二维半导体的电子结构决定的载流子隧穿模型,为探寻适用于下一代低功耗电子器件的二维材料提供了理论指导。

二维各向异性载流子隧穿模型如图1所示。根据带边的能量色散和三角势垒模型,二维材料的带带隧穿概率可以表达为:$$ T=e ^ {- \alpha}, \alpha = \frac{4 ( 2m^{*}_{\parallel}) ^ { \frac{1}{2}} \left( E_g + \frac{ \hbar^2 k^{2}_{\perp} }{2 m^{*}_{\perp}} \right) ^\frac{3}{2}}{3q \hbar \xi} , $$ 这表明除了较小的传输有效质量 $m^{*}_{\parallel}$ 和带隙 $E_g$,增大横向电子态的有效质量 $m^{*}_{\perp}$,可以极大提高载流子的隧穿概率。

图1 二维各向异性带带隧穿模型及TFET的器件结构。

作者比较了二维第五主族 BiAs 和 BiSb 的隧穿输运性能,如图 2 所示。由于 2D BiAs 的横向电子态表现出较弱能量色散,BiAs 在同一能级上具有更多的隧穿电子态,从而产生了比二维 BiSb 更大的透射本征值和隧穿电流。

图2 二维BiAs和BiSb的隧穿输运性能。

同时在砷烯和 BiP-TFET 的器件性能对比中也发现,如图 3(a-b)所示,二者的 $m^{*}_{\perp}$ 相当,但是砷烯 $m^{*}_{\perp}$ 比 2D BiP 轻得多,这使得砷烯的投射系数具有比 2D BiP 更高的峰值和更高的隧穿电流。

图3. (a-b)二维 BiP 和 As TFET 的输运性能;(c)第主族单层TFET的最小泄漏电流($I_{min}$)与带隙($E_g$)的函数关系及(d)开态电流。

如图3(c),进一步作者发现 TFET 的 $I_{min}$ 随着带隙 $E_g$ 减小呈指数级增大,满足函数关系 $y = A \exp (-B \times E_g)$。具有较大 $E_g$ 和强各向异性的 BiAs 和砷烯具有更高的开态电流,如图 3(d)。

图4. 本征隧穿系数 $\bar{T}$ 作为 $m^{*}_{\perp}$ 和 $m^{*}_{\parallel}$ 和 $E_g$ 的关系。

作者进一步提取了相关电子结构参数,将 2D 半导体的“本征隧穿因子” ($\bar{T}$) 定义为:$\bar{T} = e^{-\beta}, \beta = (m^{*}_{\parallel})^{\frac{1}{2}}\left( E_g + \frac{\hbar^2 k^{2}_{\perp}}{2 m^{*}_{\perp}} \right) ^\frac{3}{2}$。同时对比了不同二维材料的本征隧穿因子”,发现二维半导体 GeTe 和 SnTe 具有高“本征隧穿因子”和合适的 $E_g$,也是理想的隧穿效应晶体管候选沟道材料,如图4所示。

结论

综上所述,本工作建立了二维各向异性电子能带的隧穿输运模型,提出了利用强各向异性能量色散提升二维 TFET 的开态电流的新策略。指出二维砷烯 TFET 表现出高于 1000 μA/μm 的高开态电流和 46 mV/dec 的 SS。该工作为基于量子隧穿效应的下一代纳米电子器件的设计提供了普适性的理论指导。

参考文献

  • Hengze Qu, Shiying Guo, Wenhan Zhou, Zhenhua Wu, Jiang Cao, Zhi Li, Haibo Zeng, and Shengli Zhang Phys. Rev. B 2022, 105, 075413

 
  • 标签

  •