背景
晶体管的尺寸微缩是推动微电子电路发展的关键。然而，由于严重的短沟道效应，传统硅基晶体管正在接近其物理极限。当栅极长度小于 10 纳米时，实验制备的硅基晶体管的已经不能满足国际半导体技术发展路线图（ITRS）的开电流标准。为了延续摩尔定律，目前主流的一种解决方案是将沟道替换为更高迁移率的材料。其中，III-V 化合物半导体有着比硅更高的电子迁移率和电子注入速度，被认为是硅的有力继任者。而砷化镓（GaAs）因其具有良好的n型和p型器件性能，在一系列 III-V 半导体中脱颖而出。为了尽可能延长摩尔定律的寿命，探索n型和p型GaAs晶体管的性能极限十分必要。
研究内容
具有较薄沟道的晶体管可以进一步增强栅极控制力和对短沟道效应的免疫力。单层氢化 GaAs（ML GaAsH2）是超薄 GaAs 的极限形式，因此，模拟 ML GaAsH2 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）可以给出超薄 GaAs FET 的性能上限。本文报道了作者对 n 型和 p 型双栅 ML GaAsH2 MOSFET 的第一性原理与量子输运模拟研究。作者引入 underlap 结构，得到了器件从5纳米栅长一直微缩至 1 纳米的转移特性。
作者发现，n 和 p 型ML GaAsH2 晶体管的性能极限分别位于 3（4）和3（5）nm 栅长处。与其他模拟工作中的典型二维器件进行横向对比，只有 ML GaAsH2 器件的开电流在亚 5 纳米栅长范围内，可以同时满足NMOS、PMOS 在高性能、低功耗应用下的 ITRS 标准（图2），因此其尺寸微缩性更强。此外，ML GaAsH2 器件几乎有着最低的功耗-延迟积（图3）。
作者通过计算不同沟道材料的介电系数，并对比上述器件的特征长度值，揭示了 ML GaAsH2 性能极限更优异的原因。
为进一步缩小 NMOS 和 PMOS 的性能差距，作者引入应力调控。结果发现通过施加单轴压缩应力可以使ML GaAsH2 的空穴有效质量急剧减小，并使得 PMOS 开电流显著提升，与 NMOS 实现性能对称。作者通过能带分析解释原因。
总结
本文报道的工作利用第一性原理方法探究超薄 GaAs 晶体管的性能极限，相比于其他模拟得到的典型二维器件有更高的尺寸微缩性。单轴压缩应变使 PMOS 的器件性能大幅提升，可与 NMOS 实现对称的器件性能。该研究表明，超薄 GaAs 在未来 CMOS 集成电路中有着良好的应用前景。
参考
- Qiuhui Li, Shibo Fang, Shiqi Liu, Lin Xu, Linqiang Xu, Chen Yang, Jie Yang, Bowen Shi, Jiachen Ma, Jinbo Yang, Ruge Quhe, and Jing Lu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 14, 20, 23597–23609 (2022).