为了摩尔定律的延续:单层二硫化钼场效应管在亚10纳米的输运性能理论极限研究

摩尔定律和它所代表的硬件计算能力指数提升是计算机科学飞速发展的基础和证明之一。然而传统的硅基金属氧化物半导体场效应管越来越无力支持该定律的延续,引发了半导体行业对于摩尔定律失效的担忧。按照国际半导体技术发展路线图(ITRS)组织的要求,在2024年高性能(HP)和低功耗(LP)场效应管应分别缩小到6.8和5.8纳米的尺寸,同时仍必须保持一系列较高的器件性能指标。传统硅场效应管因为较强的短沟道效应在这个尺寸范围里早已力不从心,必须应用诸如纳米线、超薄层和鳍状等几何构造改进技术才能提升性能表现,但仍无法完全满足要求。由于计算机科学已经渗透进几乎所有社会领域,包括科学研究,经济活动和社会生活等等方方面面,摩尔定律的失效的影响已不会局限在半导体行业内,而有可能令人类社会整体放缓前进的速度。

为了延续摩尔定律,一些研究者将目光投向了其他新型材料,特别是低维材料:如一维的碳纳米管,二维的过渡金属二硫族化物(TMD)和黑磷。究其原因,低维材料因为维度低具有较小的短沟道效应,同时具有天然的光滑表面,缺陷干扰相对较少,因而在更小尺寸下不少低维材料仍能保持较高输运性能。尤其是以二硫化钼为代表的TMD材料,由于和其他二维材料相比具有较大能隙,同时还在空气中稳定,因而在全世界范围内备受瞩目。实验证明尺寸在数十到数百纳米的二硫化钼场效应管的开关比和亚阈值摇摆(SS)令人眼前一亮,具有拯救摩尔定律的潜力。然而囿于实验条件,目前仍然没有亚10纳米二硫化钼场效应管性能的直接实验报道。其性能究竟如何、和改进的硅场效应管及新材料碳纳米管场效应管相比孰优孰劣、到底能否延续摩尔定律,这三问仍亟待解答。

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近日,来自北京大学物理学院的吕劲研究团队通过第一性原理输运计算从理论上模拟得到了钛电极亚10纳米二硫化钼场效应管的性能极限。理论预言二硫化钼场效应管在亚10纳米尺寸下仍然能保持可观的性能:其开态电流与目前实验上最好的改进硅场效应管在同一水平(图c),并且具有傲视其他材料的超低亚阈值摇摆(10纳米时为63 mV/dec)。在考虑声子散射后,10纳米二硫化钼场效应管开态电流为715(高性能标准)和354(低功耗标准)mA/mm,可分别满足ITRS标准下35%的2018年高性能场效应管要求和45%的2020年低功耗场效应管要求。配合其他改进手段,例如使用石墨烯或1T金属性二硫化钼作电极,有可能令亚10纳米二硫化钼场效应管达到ITRS标准,成为延续摩尔定律的新器件。

该工作已发表在Wiley期刊Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201600191)上。