研究背景
二維過渡金屬硫化物（2D TMDs）是具有原子級薄度的半導體材料，因其優異的電學性能和出色的電場控制能力，成為了后硅時代互補金屬氧化物半導體（CMOS）場效應晶體管的研究熱點。然而，傳統硅基器件在亞15 nm通道長度下面臨性能退化與加工難題，特別是在器件的開啟電流（ION）與關斷電流（IOFF）比值降低、表面粗糙度散射增強等方面存在挑戰。此外，硅材料在通道厚度縮減至3nm以下時，載流子遷移率顯著下降，進一步制約了器件的可擴展性和性能提升。有鑒于此，加利福尼亞大學圣巴巴拉分校Arnab Pal，Kaustav Banerjee等 在“Nature Electronics”期刊上發表了題為“Three-dimensional transistors with two-dimensional semiconductors for future CMOS scaling”的最新論文。科學家們提出了基于二維材料的三維柵極環繞（GAA）晶體管架構，包括納米片場效應晶體管（NSFET）與納米叉場效應晶體管（NFFET），并引入了二維納米板場效應晶體管（NPFET）的概念。這些器件通過量子輸運模擬與密度泛函理論（DFT）計算相結合，全面分析了二維TMD材料的器件性能和可擴展性。研究結果表明，三層硫化鎢（WS2）作為通道材料可顯著提升器件的能量-延遲積（EDP），與硅基器件相比提升超過55%，實現了能效與性能的優化。此外，基于二維TMD的NPFET器件在相同的面積占用下，集成密度與驅動電流均較硅基三維器件提升了近十倍。
研究亮點
實驗首次提出2D NXFET設計框架，得到了2D半導體在三維（3D）晶體管架構中的優異性能。研究通過非平衡格林函數（NEGF）量子輸運模擬，結合密度泛函理論（DFT）提供的材料輸入，分析了非理想肖特基接觸和電容效應，評估了不同3D晶體管（2D半導體與硅基）及其溝道厚度的性能。
1. 2D材料在超薄（小于3nm）溝道厚度下具有較高的載流子遷移率，且受表面粗糙散射的影響極小，顯著提升了器件性能。
2. 相比傳統硅基器件，2D NXFET在亞10nm溝道長度下表現出更好的靜電控制，抑制源漏隧穿泄漏電流，提高了ON-OFF電流比。
圖文解讀
圖5:納米叉晶體管性能比較和功耗延時積energy–delay product，EDP預測。
總結展望
本文通過第一性原理模擬，探討了二維半導體在三維晶體管架構設計中的獨特應用，評估了其在次5nm通道長度下，低待機功耗（LSTP）和高性能（HP）CMOS器件中的潛力。電容和輸運模擬結果表明，三層WS2是最具前景的硅后續通道材料，能夠推動CMOS技術縮放至次5nm通道長度。即使在非理想接觸條件下，WS?的能量–延遲積（EDP）仍實現了超過50%的性能提升，相較于硅基器件表現出顯著優勢。此外，作者提出了一種新型的納米板3D器件架構，這一架構通過二維材料的工程設計得以實現，在次5?nm通道長度下，其驅動電流可比傳統納米片器件提高近十倍。Pal, A., Chavan, T., Jabbour, J. et al. Three-dimensional transistors with two-dimensional semiconductors for future CMOS scaling. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01289-8
