基于单层氧化镓的高性能低功率 MOSFET 的性能研究

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摘要

研究者在密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）理论的框架下，模拟了单层（ML） $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$的电子性质和 ML- $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ 基 n 型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的输运性质。结果表明，ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ 具有 4.92eV 的准直接带隙。在充分考虑声子散射的情况下，计算得到 x 和 y 方向的电子迁移率分别为 1210 和 816 $\mathrm{cm}^2 \mathrm{V}^{-1} \mathrm{s}^{-1}$（300K） 。电子—声子散射机制表现出温度依赖性行为，声学模在 300K 以下占主导地位，光学模在 300K 以上占主导地位。在$\mathrm{L}_g$= 5 nm 的栅极长度下，用于高性能（HP）应用的 ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ n-MOSFET 的导通电流为 2890 μA/μm，高于已有报道的二维材料的导通电流。ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ MOSFET 的延迟时间和功率延迟积可以满足最新的国际半导体技术路线图（ITRS）对HP和低功率（LP）应用的要求，$\mathrm{L}_g$ 可以小于 4 或 5 nm。通过优化 Underlap 结构和掺杂策略，ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ n-MOSFET 可以进一步满足 1 nm 的 ITRS 要求。最后，将基于 ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ MOSFET 的 32 位算术逻辑单元（ALU）与最近报道的替代 CMOS 器件的性能进行比较，结果表明 ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ 可以作为后硅时代的一种有前途的沟道材料。

图 1.（a）ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$的原子构型；（b）电子能带（HSE06能级）和（c）声子谱。（b）的插图是第一布里渊区中的载流子有效质量mn*和mp*的分布；载流子有效质量绝对值从红色高、蓝色低。
图2. ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ 的 电子−声子耦合矩阵元，不同声子模式（a）ZA、（b）TA、（c）LA、（d）OP8 和（e）OP17 的贡献。（f） ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ 电子迁移率的温度依赖性，迁移率的温度行为在室温附近有显著变化。
图4. （a）x 方向ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ n-MOSFET 的示意图。分别具有不同沟道长度的（b）x 方向和（c）y 方向的 ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ n-MOSFET（无 Underlap 结构）的输运特性。在HP（LP）方案中，源极电压 Vdd 分别设置为 7 nm 时的 0.68 V（0.66 V）和低于 5 nm 时的 0.64 V（0.64 V）。
图5. ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ 和其他基于二维材料的 n-MOSFET 的导通电流 Ion 和功率延迟积（PDP）与延迟时间（τ）关系的比较。
图6. 具有不同（a）Underlap（UL）和（b）掺杂浓度以及（c）其关键指标的比较的 x 方向ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ n-MOSFET（$\mathrm{L}_g$＝1nm）的传输特性。
图7. 基于 ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ MOSFET 的 32 位算术逻辑单元（ALU）的（a）开关能量和延迟与（b）工作（Active）和待机（Stand-by）功耗之间的关系

参考

  • Ma, Y.; Dong, L.; Li, P.; Hu, L.; Lu, B.; Miao, Y.; Peng, B.; Tian, A.; Liu, W. First-Principles-Based Quantum Transport Simulations of High-Performance and Low-Power MOSFETs Based on Monolayer Ga2O3. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14 (42), 48220–48228. https://doi.org/10.1021/acsami.2c12266.