突破极限！北京大学最新Nature

国际器件与系统路线图(IRDS)预测，对于硅基金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管(FETs)，栅极长度的缩放将停止在12纳米，最终电源电压将不会下降到小于0.6 V。近年来，具有原子尺度厚度的二维(2D)层状半导体被探索为支持进一步小型化和集成电子的潜在通道材料。然而，到目前为止，还没有基于半导体的2D FETs表现出可以超越最先进的硅FETs的性能。

2023年3月22日，北京大学彭练矛及邱晨光（姜建峰与徐琳博士为并列第一作者）在Nature 在线发表题为“Ballistic two-dimensional InSe transistors”的研究论文，该研究报道了一种弹道二维硒化铟（InSe）晶体管，首次使得二维晶体管实际性能超过Intel商用10 纳米节点的硅基Fin晶体管，并且将二维晶体管的工作电压降到0.5 V，这也是世界上迄今速度最快能耗最低的二维半导体晶体管。

近年来，具有原子尺度厚度的二维层状半导体被探索为潜在的通道材料，以避免短通道效应，2D FETs的栅极长度甚至被缩小到5 nm以下。然而，到目前为止，还没有实验结果证明，在0.7 V的标准供电电压(商用硅10纳米节点的供电电压)下，二维半导体FETs的导通电流和跨导能超过最先进的硅FETs，二维半导体FETs的实验结果仍远远落后于理论预测，不足以显示2D半导体的最终潜力。这是由于一些挑战，如2D半导体和高K电介质之间的低质量界面，在2D半导体-金属界面处具有相当大肖特基势垒的源极和漏极接触，以及2D半导体的固有缺点。

InSe在物理上优于Si，具有更大的热速度(更小的有效质量)和更小的尺度长度(更薄的本体和更小的介电常数)。此外，InSe的小谷简并度(gC= 1)(与超薄硅的gC= 2相比)是实现更小延迟和更低功耗的另一个优势。该研究使用三层InSe构建超短弹道晶体管，旨在探索2D半导体的终极潜力。

双栅InSe FET原理图（图源自Nature ）

该研究发现，以2D硒化铟(InSe)为通道材料的高热速场效应晶体管，在0.5 V下工作，实现了6 mS μm−1的高跨导和饱和区83%的室温弹道比，超过了任何已报道的硅场效应晶体管。并提出了一种掺杂钇诱导的与铟硒场效应晶体管进行欧姆接触的相变方法，并将铟硒场效应晶体管的沟道长度缩小到10 nm。该研究的InSe FETs可以有效抑制短通道效应，其低亚阈值摆动(SS)为每十年75 mV，漏极诱导的势垒降低(DIBL)为22 mV V−1。此外，在10 nm弹道InSe FETs中可靠地提取了62 Ω μm的低接触电阻，导致了更小的内在延迟和更低的能量延迟积(EDP)，远低于预测的硅极限。

总之，该研究报道了一种弹道二维硒化铟（InSe）晶体管，首次使得二维晶体管实际性能超过Intel商用10 纳米节点的硅基Fin晶体管，并且将二维晶体管的工作电压降到0.5 V，这也是世界上迄今速度最快能耗最低的二维半导体晶体管。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05819-w

转自：“iNature”微信公众号

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