基于场效应晶体管（FET）的大规模集成电路是信息时代的基石。在过去的半个多世纪，遵循摩尔定律，FET的尺寸不断缩小，芯片上FET数量得以不断增加，芯片功能日趋多元化。如今，市场上的硅基晶体管尺寸已经降至18 nm栅长。由于受到短沟道效应的影响，继续缩短栅长，器件性能会大幅度下降，这引发了半导体业界对于摩尔定律失效的担忧。相比于三维体材料，二维材料因尺度极薄而具有更好的栅控性能，因表面光滑无悬挂键而使得电荷传输时不受陷阱态和起皱带来的散射影响，可以保持较高的输运性能，避免短沟道效应（下图）。如果使用二维材料做沟道，晶体管则有可能工作在亚10 nm栅长的尺寸。国际半导体技术发展路线图（ITRS）及其继承者国际器件与系统路线图（IRDS）把二维材料列为替代硅的潜在沟道材料。
（a）场效应晶体管及相应能带示意图；（b）三维体材料与二维材料在结构上的对比，前者厚度波动明显，悬挂键多，后者厚度均匀，无表面悬挂键；（c）场效应管迁移率随沟道厚度的变化：当厚度降至5 nm以下时，体材料半导体的迁移率急剧下降，而二维半导体的迁移率较高
实验制备亚10 nm栅长的二维晶体管是一项极具挑战的工作，而理论上预测可剥离的二维材料种类高达1800余种。因此，需要找到精确且不依赖参数的理论工具评估二维晶体管的性能。基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法相结合的第一性原理量子输运模拟可以严格计算原子间的跃迁矩阵元，无需人为设置参数；利用它来评估亚10 nm二维晶体管性能，可以在极大节约研发成本的同时保持较高的预测精度。
人工微结构和介观物理国家重点实验室吕劲课题组系统地发展了按照ITRS和IRDS标准采用原子级上无参数的第一性原理量子输运模拟精确评估二维半导体晶体管性能的研究范式，相关系列研究成果发表于《物理评论应用》（Physical Review Applied 14: 024016 (2020); 10: 24022 (2018)）、《纳米尺度》（Nanoscale 11: 532 (2019)）、《美国化学会·应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces 9: 3959 (2017)）、《材料化学》（Chemistry of Materials 29: 2191 (2017)）、《先进电子材料》（Advanced Electronic Materials, 2: 1600191 (2016)）、《纳米快报》（Nano Letters 12: 113 (2012)）、《亚洲材料》（NPG Asia Materials 4: e6 (2012)）等。前不久，课题组与中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室、北京邮电大学、北京大学深圳研究生院等单位合作，应邀在《物理进展报道》（Reports on Progress in Physics 84: 056501 (2021)）发表长篇综述介绍了二维晶体管界面肖特基势垒的研究进展。
近日，吕劲课题组与北京邮电大学理学院雷鸣教授、北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授等合作者再次受邀撰写题为“亚10 nm二维场效应晶体管：理论与实验”（Sub-10 nm two-dimensional transistors: theory and experiment）的长篇综述文章并发表于《物理报道》（Physics Report），系统阐述了亚10 nm二维晶体管的最新实验和理论研究进展。根据研究团队提出的第一性原理量子输运模拟论证，文中首先指出在极端理想条件（欧姆接触、没有杂质、介电层极薄）下，实际存在的、载流子迁移率高或适中的二维半导体材料的金属-氧化物，如二硒化钨（WSe2）、硒氧化铋（Bi2O2Se）、磷烯、硅烷、砷烯、碲烯、硒化铟（InSe）、硒化锗（GeSe）等，其半导体型FET （即MOSFET）在高性能或低功耗应用方面具有出色的器件性能，能将摩尔定律扩展到1～2 nm栅长极限，其中单层WSe2和二硫化钼（MoS2）晶体管的饱和电流的预测结果已经被发表于《自然》的重要实验所证实（Nature, 579: 368 (2020); Nature, 593: 211 (2021)）；然后对比二维亚10 nm MOSFET，亚10 nm二维隧穿场效应管（TFET）被预测具有更小的能量延迟积，在低功耗应用中尤其具有竞争力；接着阐明了载流子有效质量在决定器件性能方面发挥关键作用，通过负电容技术可以进一步提高器件性能；最后概述了亚10 nm二维FET在高质量晶体生长、电极接触优化、器件性能的准确评估以及器件集成等方面所面临的挑战，并对其在未来高密度集成、可穿戴和多功能电子学器件方面的应用做了展望。
北京邮电大学理学院屈贺如歌副教授，北京大学信息科学技术学院电子学系2020届博士研究生徐琳、物理学院2017级博士研究生刘士琦、前沿交叉学科研究院2017级博士研究生杨晨和中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室王洋洋副研究员为共同第一作者；本实验室吕劲研究员、北京邮电大学雷鸣教授和北京大学深圳研究生院潘锋教授为共同通讯作者；本实验室杨金波教授和纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授参与了该项工作。
上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划，及北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心、磁电功能材料与器件北京市重点实验室、北京大学长三角光电科学研究院和北京大学高性能计算平台等支持。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157321003252
