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第一作者：Hong Li

通訊作者：呂勁，屈賀如歌，邱晨光，田禾

通訊單位：北京大學、北京郵電大學、清華大學

論文速覽：

本論文回顧了近期在二維晶體管（2D FETs）領域的激動人心的實驗進展，這些進展包括柵極長度微型化至亞1納米極限、電極接觸優化至量子極限、高質量介電層制造以及新型架構形式。

特別是，2D InSe晶體管實現了超短通道、歐姆接觸、彈道輸運和超薄介電層的同時滿足，其器件性能接近理論極限，與硅基晶體管相比具有競爭力甚至更優。文章最后討論了基于2D晶體管的摩爾電子學面臨的挑戰和未來展望。

圖文導讀：

圖1：展示了基于第一性原理量子輸運模擬計算的幾個最優單層金屬氧化物半導體場效應晶體管（ML MOSFETs）在不同柵極長度下的開態電流。

圖2：展示了理想的2D FET結構，超越了硅基晶體管，包括無缺陷的2D半導體通道、超薄金屬電極以及高介電常數的介電層。

圖3：展示了實現2D FET柵極縮小至亞10納米尺度的進展。

圖4：展示了0.34納米柵極的單層石墨烯側壁晶體管的結構示意圖、典型器件的轉移特性曲線、亞閾值擺動（SS）和開關比提取、以及通過Sentaurus技術計算機輔助設計（TCAD）模擬的通道MoS2層依賴的轉移特性曲線。

圖5：展示了通過使用半金屬、2D金屬和原位摻雜誘導的半導體到金屬相變來實現2D FET低電阻接觸的最新策略。

圖6：展示了正常金屬/半導體接觸、半金屬/半導體接觸和接觸前的半導體的態密度，以及正常金屬/半導體接觸和半金屬/半導體接觸的能帶結構。

圖7：展示了ML MoS2晶體管與Sb (01?12)電極接觸的能帶結構和電荷密度，以及實驗中的ML MoS2 FET的轉移特性和模擬中的ML MoS2 MOSFET的特性。

圖8：展示了半金屬-半導體接觸的功函數比較、常規和范德瓦爾斯半金屬-半導體接觸的能帶圖和原子結構圖。

圖9：展示了通過改進原子層沉積（ALD）添加種子層、將2D通道轉移到生長的介電層以及將半導體通道本征氧化成絕緣介電層來實現具有亞1納米等效氧化物厚度（EOT）的高質量介電層的最新策略。

圖10：展示了2D Bi2O2Se FinFETs的結構和性能，包括垂直2D Bi2O2Se/Bi2SeO5 鰭-氧化物異質結構陣列的晶圓級外延、2D Bi2O2Se FinFET的示意圖和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，以及器件的典型輸出和轉移特性。

圖11：展示了低溫合成方法用于在硅基底上生長單層MoS2的示意圖、硅基底上合成的MoS2的光學圖像、不同合成方法的熱預算基準測試、拉曼A1g峰強度映射、PL光譜的FWHM映射、510個背柵晶體管的轉移特性以及場效應遷移率、閾值電壓和亞閾值擺動的映射。

圖12：展示了與硅電路兼容的異質制造過程的示意圖、Si晶體管在MOCVD過程前后的轉移特性和輸出特性、MoS2晶體管在CMOS Si晶體管上的轉移特性和輸出特性、MoS2-Si SRAM單元的電路圖和光學圖像、Si晶體管在SRAM單元內的蝴蝶曲線以及SRAM單元的輸入和輸出波形。

圖13：展示了溫度相關的彈道（Lch < 20 nm）和擴散（Lch > 1 μm）輸運模式的示意圖、TL InSe FETs與幾個Si MOSFETs的彈道比比較、10 nm柵極TL InSe FET在不同溫度下（從300 K到100 K）的轉移特性、接觸模型和能帶對齊的側視圖、彈道2D InSe晶體管與其他2D短通道晶體管的總電阻比較、載流子密度ns的總電阻基準測試、TL InSe FET的截面透射電子顯微鏡圖像和電子能量損失譜圖。

圖14：展示了2D InSe FET與體硅FinFET的性能比較，包括轉移特性和跨導與10 nm節點Si FinFET和20 nm柵極InGaAs FinFET的比較，以及SS和DIBL與Intel和IBM & GF的Si FinFETs的比較，Vdd、延遲時間和EDP的縮放趨勢比較，以及彈道2D InSe FETs與IRDS和Intel的Si FinFETs的性能比較。

圖15：展示了2D FETs的最新突破的示意圖。

總結展望：

本文總結了2D FETs在器件縮放、電極工程、架構改革、CMOS集成和超越Si FETs方面的五個主要突破。

通過結合高質量的超薄介電層和通過Y摻雜誘導的InSe從絕緣體到金屬相變的歐姆接觸，2D InSe FET展現出了超越現有硅基晶體管的優異性能。這些成果極大地增強了2D FETs作為Si FETs繼任者的信心。

然而，要實現基于2D半導體的集成電路的商業應用，仍需在實驗和理論模擬方面做出更多努力，包括擴展2D材料的晶圓級生長、探索新的2D通道材料、優化p型2D FETs的性能、實現2D FETs的億級集成以及探索具有新輸運機制的2D FETs。

文獻信息：

標題：Recent Experimental Breakthroughs on 2D Transistors: Approaching the Theoretical Limit

期刊：Advanced Functional Materials

DOI：10.1002/adfm.202402474

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/04/16/b9abaf0111/

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