基于二维材料的隧穿场效应晶体管

二维隧穿场效应晶体管（2D tunneling field-effect transistor, TFET）是一种新型的半导体晶体管，它具有比传统的晶体管更低的功耗和更高的运算速度。二维隧穿场效应晶体管是利用二维材料（如石墨烯、二维硅）的特殊物理性质来实现控制通过电路的电流。

虽然二维隧穿场效应晶体管具有许多优点，包括功耗低、速度快、尺寸小等。因此，它在计算机、手机、汽车电子等领域具有巨大的应用前景。但目前，二维隧穿场效应晶体管仍处于研究阶段，距离其大规模的产业应用还有许多技术挑战。

鉴于此，近日来自印度Birla Institute of Technology and Science – Pilani的Sayan Kanungo教授领导的研究团队在npj 2D Materials and Applications上以2D materials-based nanoscale tunneling field effect transistors: current developments and future prospects为题发表综述文章，全面总结了纳米级二维–场效应晶体管设计领域的过去发展、现有技术和未来挑战。文章分析了每类二维材料的相对优点和缺点，揭示了与单个二维材料相关的特定设计挑战。文章总结了开发高效场效应晶体管设计的潜在器件/材料协同优化策略，并讨论了二维–场效应晶体管设计中的实验发展，和单个材料系统的具体合成/制造挑战，并对二维隧穿场效应晶体管的未来前景做了展望。

图1隧穿场效应晶体管结构示意图。
图源：IEEE Trans. Electron Devices 64, 2694–2701 (2017).

集成电路中对小型化、操作速度、成本降低和多样化功能的不断增长的需求一直通过互补金属氧化物半导体（CMOS）场效应晶体管（FET）的大规模缩小而得以实现的。

然而，随着现代CMOS技术的发展，目前晶体管的器件尺寸已经远低于100 nm，晶体管尺寸的进一步缩小尺度受到其高静态功耗的严重挑战。

在这样背景下，MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）出现了。MOSFET是一种半导体晶体管，是目前世界上使用最广泛的晶体管之一。MOSFET是一种控制电流的器件，它通过控制一个电场来控制电路中的电流。MOSFET的主要优点是功耗低、速度快、尺寸小等，因此它在计算机、手机、汽车电子等领域有广泛的应用。

MOSFET的工作原理是通过控制电场来控制电路中的电流。在MOSFET中，有一个极性电场和一个中性电场。当极性电场的强度足够大时，它会把中性电场中的电子压到一边，形成一个电荷层。当极性电场的强度足够大时，它会把中性电场中的电子压到一边，形成一个电荷层。这样，就可以通过控制极性电场的强度来控制电路中的电流。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中较高的漏电流和较大的电源电压累积地导致了晶体管的功耗很高。

在这样的纳米级MOSFET中，这种更高的漏电流是由于器件的静电完整性被破坏而导致的，因此其被称为短沟道效应（SCE）。对这一问题，通过创新的器件设计可以在一定程度上将其最小化。另一方面，芯片架构师需要施加更大的电源电压以保持高驱动电流，从而保持更高的操作速度。

为了在不影响MOSFET性能的情况下按比例降低MOSFET的电源电压，晶体管需要在关断状态和导通状态条件之间快速转换，即其次阈值摆幅（SS）应尽可能小。

Sub-threshold swing（次阈值摆幅）是一个描述晶体管特性的参数，表示晶体管在次阈值区域（即控制电流小于阈值电流时）的输出电流对控制电流的敏感度。次阈值摆幅越小，表示晶体管在次阈值区域的输出电流对控制电流的敏感度越小，这意味着晶体管的输出电流变化越小，也就意味着晶体管的精度更高。

次阈值摆幅通常以单位电压为单位，用来衡量晶体管在次阈值区域的输出电流的线性度。例如，如果次阈值摆幅为60 mV/decade，则表示晶体管在次阈值区域内，每增加10倍的控制电流，输出电流就会增加6毫伏。

次阈值摆幅在微电子学领域中非常重要，因为它决定了晶体管在低电流下的工作性能。随着技术的不断发展，人们一直在努力降低次阈值摆幅，以提高晶体管在低电流下的精度和性能。然而，MOSFET的最小次阈值摆幅受到物理极限的制约，难以优化。

因此，隧穿场效应晶体管应运而生，目前已成为纳米级MOSFET的替代品。在场效应晶体管设计中，可以实现次阈值摆幅低于由于其独特的载流子注入机制，即电子的带间隧穿（BTBT）。同时，场效应晶体管有效地避免了器件的缩小，并且可以在纳米级器件尺寸上保持最小的泄漏电流。

然而，场效应晶体管中以带间隧穿为主的载流子传输导致导通状态电流，通常比传统MOSFET小几个数量级。应注意的是，场效应晶体管的次阈值摆幅和导通电流都由带间隧穿的概率决定，带间隧穿强烈依赖于器件的静电和半导体材料特性。

因此，场效应晶体管的器件设计和材料对于实际实现极小的次阈值摆幅和可接受的导通电流至关重要。因此，在过去十年中，关于场效应晶体管的研究不断增加，为全面的理论和设计层面的理解铺平了道路。

在2004年剑桥大学研究人员成功合成石墨烯之后，二维半导体材料领域的研究取得了显著进展。经过近20年的发展，二维材料家族的不断扩大，研究人员已经发现了许多二维材料特有的量子力学效应、电子关联行为和光电性质。

具体地说，二维材料表现出显著的电子、光学和磁性，与它们的三维本体配对物明显不同。同时，快速发展的二维材料合成技术允许在不同基材上均匀且受控地沉积高质量的二维材料原子薄层。

同样，基于计算材料科学方法的相关理论工作也取得了实质性进展，从而使得人们对二维材料的基本物理有了深刻的理解。在这方面，基于密度泛函理论（DFT）的第一原理计算已成为探索和分析二维材料特性及其与不同外部影响的相关性的关键技术。所有这些因素都有助于成功制备基于二维材料的电子、光电子和自旋电子器件，从而实现相对于传统大块体材料的显著性能改进。

图2不同二维材料的相对能带分布。
图源：npj 2D Mater Appl 6, 83 (2022).

二维晶体管是一种新型的半导体晶体管，它是利用二维材料（如石墨烯、二维硅）的特殊物理性质来实现控制通过电路的电子流的方法。

二维晶体管具有许多优点，包括功耗低、速度快、尺寸小等。因此，它在计算机、手机、汽车电子等领域具有巨大的应用前景。但目前，二维晶体管仍处于研究阶段，还需要进一步研发和改进才能满足实际应用的需要。

二维晶体管的工作原理是，在二维材料的表面形成一个电场，使得跨越这个电场的电子能量级发生变化，从而改变电子的迁移率。当电场的强度足够大时，电子会穿过这个电场，产生隧穿现象。这就是二维晶体管的工作原理。

本文重点介绍了不同二维半导体材料/器件协同设计技术的最新进展，分析了与单个材料系统相关的特定制造/合成挑战。文章通过比较不同二维半导体基纳米级场效应晶体管，给出了详细的比较性能分析。同时，文章还对潜在纳米级二维场效应晶体管的性能与其三维对应物进行了基准测试。此外，文章还分析了纳米级二维场效应晶体管基于数值器件模拟的性能。最后，文章指出了该领域的现状和未来范围。

图3隧穿场效应晶体管中电子的带间隧穿示意图。
图源：npj 2D Mater Appl 6, 83 (2022).

这篇综述介绍了各种基于二维半导体的场效应晶体管的逐步发展及其相对优势和设计挑战。与最先进的三维纳米级场效应晶体管相比，这些纳米级二维场效应晶体管在不影响操作速度的情况下，可以显著改善功耗。此外，通过适当的设计优化，这些纳米级二维场效应晶体管可以取代CMOS性能，实现低功耗、高性能设计。

应当注意，与理论进展相比，实验实现的二维场效应晶体管的性能仍然不太理想。这主要归因于在合成具有可控层厚度的高质量二维材料、合成具有高质量电介质/二维材料界面的高k电介质、以及在二维材料上制造低电阻接触、在隧道结处制造突变掺杂轮廓等方面的制造技术的限制。

总之，尽管二维隧穿场效应晶体管具有许多优点，包括功耗低、速度快、尺寸小等。因此，它在计算机、手机、汽车电子等领域具有巨大的应用前景。但目前，二维隧穿场效应晶体管仍处于研究阶段，还需要进一步研发和改进才能满足实际应用的需要。

参考文献：

Kanungo, S., Ahmad, G., Sahatiya, P.et al. 2D materials-based nanoscale tunneling field effect transistors: current developments and future prospects. npj 2D Mater Appl 6, 83 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41699-022-00352-2