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主要作者及机构
本研究由Miao-Wei Zhao、Jian-Qing Dai、Jin Yuan、Da-Wei Deng和Yun-Ya Zhong共同完成，他们均来自昆明理工大学材料科学与工程学院。该研究发表于期刊Applied Surface Science，发表日期为2025年。
学术背景
本研究的主要科学领域是二维（2D）半导体材料及其在高性能（HP）和低功耗（LP）逻辑应用中的潜力。随着硅基场效应晶体管（FETs）逐渐接近摩尔定律的极限，研究人员开始探索替代材料，特别是具有均匀原子级厚度、低界面陷阱密度和无悬挂键的范德华（vdW）二维半导体材料。这些材料能够避免短沟道效应并提高栅极静电控制能力。α-In₂Se₃作为一种同时具有铁电性和半导体性的二维材料，近年来备受关注，但其在亚10纳米二维晶体管中的半导体性能潜力尚未明确。因此，本研究旨在揭示α-In₂Se₃在亚10纳米二维晶体管中的半导体性能潜力，并探索其在HP和LP逻辑应用中的可行性。
研究流程
1. 研究设计与模拟方法
本研究采用第一性原理量子传输模拟方法，预测了基于单层（ML）α-In₂Se₃的双栅极金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的传输性能。研究通过密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）方法，分析了5纳米沟道长度的n型和p型MOSFET在锯齿形（zigzag）和扶手椅形（armchair）方向上的传输性能。
结构优化与电子性质计算
使用维也纳从头算模拟软件包（VASP）对单层α-In₂Se₃进行结构优化，采用投影缀加波（PAW）势和平面波基组，截止能量为500 eV。优化后的单层α-In₂Se₃的晶格参数为a = 4.05 Å。基于此，构建了矩形超胞，并用于双栅极MOSFET的建模。
量子传输计算
使用Nanodcal软件包进行量子传输计算，采用双ζ极化（DZP）基组，实空间网格截断能量为3000 eV，温度为300 K。通过Landauer-Büttiker公式计算漏极电流，并分析传输系数和谱电流密度。
性能参数分析
研究重点分析了n型和p型MOSFET的开启电流（Ion）、关断电流（Ioff）、亚阈值摆幅（SS）、延迟时间（τ）和功耗延迟积（PDP）等性能参数，并与国际半导体技术路线图（ITRS）2013年的HP和LP应用要求进行对比。
主要结果
1. n型MOSFET的性能
n型MOSFET在锯齿形方向的传输性能优于扶手椅形方向。在最优掺杂浓度（2×10¹³ cm⁻²）下，锯齿形方向的Ion分别达到3169.90 µA/µm（HP）和3248.89 µA/µm（LP），显著超过ITRS的要求。此外，其延迟时间和功耗延迟积也接近或优于ITRS标准。
p型MOSFET的性能
p型MOSFET在扶手椅形方向的Ion表现优异，达到1021.55 µA/µm（HP）和1034.23 µA/µm（LP），满足ITRS的要求。这归因于载流子有效质量和态密度（DOS）的协同效应。此外，p型MOSFET的亚阈值摆幅低于60 mV/dec，表现出优异的栅极控制能力。
量子隧穿机制
研究还发现，量子隧穿机制在亚阈值区域中起重要作用，导致亚阈值摆幅接近甚至低于玻尔兹曼极限。这一机制在n型和p型MOSFET中均得到验证。
结论
本研究通过第一性原理量子传输模拟，揭示了单层α-In₂Se₃在亚10纳米MOSFET中的高性能潜力。n型MOSFET在锯齿形方向的传输性能显著优于扶手椅形方向，能够满足ITRS的HP和LP应用要求。p型MOSFET在扶手椅形方向也表现出优异的性能，特别是在低功耗应用中。这些发现为α-In₂Se₃作为下一代二维半导体材料在逻辑电路中的应用提供了理论支持。
研究亮点
1. 高性能潜力：n型和p型MOSFET的传输性能均接近或优于ITRS标准，特别是在锯齿形和扶手椅形方向上的表现。 2. 量子隧穿机制：研究揭示了量子隧穿机制在亚阈值区域中的重要作用，为低功耗器件的设计提供了新思路。 3. 创新性方法：结合DFT和NEGF方法，首次系统地分析了α-In₂Se₃在亚10纳米MOSFET中的传输性能。
其他有价值的内容
本研究还提出了通过优化器件配置（如改变沟道长度、采用负电容效应等）进一步提升传输性能的可能性，为未来的实验研究提供了方向。
通过本报告，读者可以全面了解该研究的设计、方法、结果及其在二维半导体材料领域的重要贡献。