Transistor Efek Medan InSe Sub‑10 nm yang Diaktifkan oleh Kontak Ohmik Indium Sandwic Baru: Studi Teoretis

Abstrak

Indium selenida dua dimensi (InSe) telah muncul sebagai bahan saluran menjanjikan untuk node CMOS masa depan, menawarkan mobilitas pembawa sekitar 2000 cm²/V·s dan rasio on/off melebihi 10⁸ dalam perangkat eksperimental. Kerja teoretis telah memprediksi bahwa FET InSe dapat mempertahankan performa tinggi hingga panjang gerbang sub‑10 nm dalam batas balistik, namun mencapai kontak ohmik dengan resistensi rendah masih menjadi hambatan utama. Di sini kami memperkenalkan arsitektur kontak indium sandwic baru—indium/ InSe / indium—yang secara bersamaan menghilangkan hambatan tunnel, menekan hambatan Schottky, dan menyediakan dop n‑type yang efektif. Perhitungan prinsip pertama menunjukkan bahwa resistensi kontak menurun ke 0,032 ± 0,002 Ω·mm, penurunan lebih dari 50 % relatif terhadap kontak atas konvensional. Simulasi perangkat untuk panjang gerbang 7, 5 dan 3 nm menunjukkan bahwa kontak sandwic meningkatkan arus drive sebesar 69,4 %, 50 % dan 49 % masing-masing, sambil mengurangi penundaan intrinsik sebesar 20,4 %, 16,7 % dan 18,9 %. Benchmark produk energi‑penundaan (EDP) mengungkapkan bahwa FET InSe dengan kontak sandwic mengalahkan perangkat MoS₂ dan memenuhi spesifikasi Peta Jalan Teknologi Semikonductor Internasional (ITRS) 2024, mendekati batas atas ideal FET fosfor hitam. Temuan ini menetapkan struktur sandwic sebagai rute yang menarik untuk transistor InSe berkinerja tinggi dalam generasi teknologi logika berikutnya.

Pendahuluan

Semikonductor dua dimensi (2D) menarik perhatian intens untuk perangkat komplementer metal‑oksida‑semikonductor (CMOS) generasi berikutnya karena tubuhnya yang tipis atom, kontrol elektrostatik yang baik, dan mobilitas pembawa yang superior dibandingkan dengan sepadan bulk. Selain grafen, keluarga materi 2D—termasuk dalkogenida logam transisi (TMD), fosfor hitam (BP), dan indium selenida (InSe)—menawarkan band gap yang memungkinkan rasio on/off tinggi dalam transistor efek medan (FET). FET berbasis TMD menunjukkan rasio on/off hingga 10⁸ berkat massa efektif yang berat, sementara perangkat BP mendapat manfaat dari mobilitas sekitar 1000 cm²/V·s dan anisotropi yang jelas. InSe baru-baru ini telah menunjukkan mobilitas hingga 2000 cm²/V·s pada suhu kamar dan rasio on/off di atas 10⁸, menjadikannya kandidat yang kuat untuk skala sub‑10 nm. Namun, merealisasikan potensi teoretis FET InSe terhambat oleh kurangnya metode dop yang andal dan kontak ohmik berkualitas tinggi. Sebagian besar perangkat berbasis 2D beroperasi sebagai FET hambatan Schottky (SBFET), di mana antarmuka logam/semikonductor mengimposikan resistensi kontak yang signifikan dan membatasi densitas arus. Mencapai kontak dengan resistensi rendah dan dop yang intens adalah tantangan utama untuk transistor 2D berkinerja tinggi. Untuk mengatasi hambatan ini, kami mengusulkan geometri kontak ohmik sandwic baru yang menggunakan elektroda indium di kedua sisi saluran InSe. Studi eksperimental dan teoretis terbaru telah mengidentifikasi indium sebagai logam yang menjanjikan untuk InSe, menyediakan perbandingan band yang baik dan overlap orbital yang kuat. Dalam karya ini, kami secara sistematis mengevaluasi struktur elektronik dan resistensi kontak desain sandwic menggunakan perhitungan prinsip pertama, dan membandingkan performa transistor yang dihasilkan (panjang gerbang 7, 5, dan 3 nm) terhadap spesifikasi ITRS 2013/IRDS 2024 dan FET 2D terdepan lainnya.

Metode

Semua struktur atom dioptimalkan dengan Paket Simulasi Ab‑Initio Vienna (VASP) menggunakan potong gelombang datar 335 eV. Konstanta jaringan InSe konvergen ke 4,029 Å, dalam sepakat yang luar biasa dengan eksperimen. Parameter logam indium diambil dari CRC Handbook. Antarmuka indium/InSe awal dibangun menggunakan slab 4×1×1 InSe dan 5×2×1 indium (001), menghasilkan regangan rata-rata 1,32 %. Keduanya geometri kontak atas dan sandwic direlax dengan fungsi van der Waals optB88, mencapai gaya di bawah 0,02 eV/Å. Luas kontak untuk perhitungan dua‑sorot adalah 16,19 Å × 6,41 Å. Untuk mengekstrak resistensi kontak, kami menggunakan model dua‑sorot di mana saluran InSe di bawah kontak di‑dop tinggi (1×10¹⁴ e/cm²) untuk menekan resistensi seri ekstrinsik. Karakteristik arus‑tegangan dihitung menggunakan formalisme Landauer–Büttiker. Simulasi perangkat dilakukan dengan formalisme Fungsi Hijau Tidak Setimbal (NEGF) dalam QuantumATK. Saluran, sumber, dan saluran drain dibangun entlang arah transportasi, dengan 1 nm underlap gerbang untuk perangkat panjang gerbang 3 nm untuk mengurangi tunneling band‑to‑band. Basis double‑zeta polarisasi dan potongan energi 90 Rydberg digunakan, dan zona Brillouin di‑sampel dengan grid k‑point 8/Å⁻¹ × 11/Å⁻¹ × 180/Å⁻¹. Semua perhitungan sepenuhnya self‑consistent.

Transistor Efek Medan InSe Sub‑10 nm yang Diaktifkan oleh Kontak Ohmik Indium Sandwic Baru: Studi Teoretis

Penundaan intrinsik (τ) dihitung sebagai τ = (Q_ON − Q_OFF)/I_ON, dengan Q_ON dan Q_OFF diekstrak dari karakteristik kapasitansi‑tegangan pada |V_DS| = 0,68 V (2019 nm), 0,64 V (2021 nm), dan 0,64 V (2024 nm). Produk daya‑penundaan (PDP) didefinisikan sebagai PDP = (Q_ON − Q_OFF) V_DS.

Hasil dan Pembahasan

Tiga faktor kunci menentukan kualitas kontak ohmik dalam materi 2D: hambatan tunnel, hambatan Schottky (SB), dan overlap orbital antarmuka. Gambar 4a menunjukkan bahwa kontak sandwic mengurangi hambatan tunnel efektif dari 5,48 eV (kontak atas) menjadi 2,38 eV—penurunan 56,6 %—sambil juga mempersempit celah van der Waals sebesar 0,66 Å. Overlap orbital yang ditingkatkan terlihat dalam densitas muatan rata‑rata bidang (Gambar 4b), di mana struktur sandwic memberikan densitas elektron yang lebih tinggi di antarmuka. Analisis populasi Mulliken menghasilkan tingkat dop n‑type sebesar 1,6 × 10¹³ e/cm² untuk kontak sandwic, hampir 2,8 kali dari kontak atas, mendekati tingkat dop berat yang digunakan dalam simulasi FET tunneling 2D. Plot densitas status (DOS) (Gambar 4c) mengungkapkan bahwa interaksi indium‑InSe metalisasi band gap InSe pada kedua skema kontak, tetapi kontak sandwic mencapai densitas status yang lebih besar yang diinduksi logam. Akibatnya, peminjaman level Fermi terletak 0,07 eV (atas) dan 0,27 eV (sandwic) di atas minimum konduksi band, efektif menghilangkan SB. Resistensi kontak yang diekstrak dari simulasi dua‑sorot (Gambar 4d) menunjukkan karakteristik I‑V linier untuk kedua jenis kontak, mengonfirmasi perilaku ohmik. Desain sandwic menghasilkan resistensi 0,032 ± 0,002 Ω·mm—lebih dari 50 % lebih rendah dari kontak atas—menekankan keuntungan dari penglipatan luas kontak. Metrik performa perangkat disajikan pada Gambar 5. Swing ambang (SS) tetap di bawah 100 mV/dec untuk semua node, dengan perangkat 2019 nm mencapai 61,8 mV/dec (atas) dan 64,4 mV/dec (sandwic). Kontak sandwic meningkatkan arus drain (I_DS) sebesar 69,4 % (2019 nm), 50 % (2021 nm), dan 49 % (2024 nm) dibandingkan dengan kontak atasnya. Arus on‑state (I_ON) melebihi persyaratan HP ITRS di semua node, dengan keuntungan tambahan sebesar 38,2 % (2019 nm), 27,3 % (2021 nm), dan 20,5 % (2024 nm) untuk perangkat sandwic. Penundaan intrinsik (τ) dipetakan terhadap rasio on/off pada Gambar 6. Semua perangkat menunjukkan τ < 0,15 ps, jauh di bawah target ITRS 2013 sebesar 0,44–0,46 ps. Kontak sandwic mengurangi τ sebesar 20,4 % (2019 nm), 16,7 % (2021 nm), dan 18,9 % (2024 nm) pada rasio on/off yang tinggi. Perbaikan ini menerjemahkan kecepatan switching yang lebih cepat tanpa mengorbankan arus drive. Akhirnya, produk energi‑penundaan (EDP) dibenchmark pada Gambar 7 terhadap FET 2D lainnya yang telah divalidasi secara eksperimental. Semua perangkat InSe dengan kontak sandwic berada di bawah persyaratan EDP ITRS 2024, mengalahkan FET MoS₂ dan mendekati batas kinerja FET BP. EDP terbaik terjadi untuk perangkat gerbang 3 nm (node 2024 nm), menekankan keuntungan skalabilitas dari arsitektur sandwic. Secara kolektif, hasil ini menunjukkan bahwa kontak indium sandwic tidak hanya mengatasi hambatan utama untuk transistor InSe berkinerja tinggi—hambatan tunnel, SB, dan dop—tetapi juga memberikan metrik perangkat yang melebihi target peta jalan industri dan bersaing dengan FET 2D terbaik.

Kesimpulan

Kami telah memperkenalkan kontak ohmik indium sandwic untuk FET InSe yang efektif menghilangkan hambatan tunnel, menghapus hambatan Schottky, dan menginduksi dop n‑type yang signifikan. Resistensi kontak dikurangi menjadi 0,032 ± 0,002 Ω·mm, perbaikan > 50 % dibandingkan kontak atas konvensional. Simulasi perangkat pada panjang gerbang 7, 5, dan 3 nm menunjukkan peningkatan performa universal: arus on‑state meningkat sebesar 20,5–38,2 % dan penundaan intrinsik menurun sebesar 16,7–20,4 % relatif terhadap standar HP ITRS. Analisis produk energi‑penundaan menunjukkan bahwa perangkat sandwic mengalahkan FET MoS₂ dan memenuhi persyaratan ITRS 2024, mendekati batas teoretis FET BP. Hasil ini menetapkan arsitektur sandwic sebagai jalan yang dapat dijamin untuk transistor InSe berkinerja tinggi untuk teknologi CMOS generasi berikutnya.