Transistor Efek Medan Dua Dimensi InSe Berkinerja Tinggi dengan Kontak Ohmik Terjepit Novel untuk Node Sub-10 nm:Studi Teoretis
Abstrak
Transistor efek medan (FET) dua dimensi (2D) berbasis InSe telah menunjukkan mobilitas pembawa yang luar biasa dan rasio on-off yang tinggi dalam laporan eksperimental. Penyelidikan teoritis juga berpredikat kinerja tinggi dapat dipertahankan dengan baik pada node sub-10 nm dalam batas balistik. Namun, pengalaman eksperimental dan perhitungan teoretis menunjukkan pencapaian ohmik berkualitas tinggi telah menjadi faktor pembatas utama untuk FET 2D performa tinggi. Dalam karya ini, kami mengusulkan kontak ohmik terjepit baru dengan indium untuk InSe FET dan mengevaluasi kinerjanya secara komprehensif dari pandangan material dan perangkat berdasarkan metode ab initio. Sifat material menunjukkan bahwa semua masalah mendasar dari kontak ohmik termasuk penghalang terowongan, penghalang Schottky, dan doping efektif diperhatikan dengan baik dengan memperkenalkan struktur terjepit, dan resistensi kontak yang sangat baik tercapai. Pada tingkat kinerja perangkat, perangkat dengan panjang gerbang 7, 5, dan 3 nm diselidiki. Semua metrik perangkat kontak terjepit jauh melebihi persyaratan Peta Jalan Teknologi Internasional untuk Semikonduktor (ITRS) dan menunjukkan promosi yang jelas dibandingkan dengan struktur konvensional. Peningkatan maksimum arus dengan 69,4%, 50%, dan 49% dicapai untuk perangkat dengan panjang gerbang 7, 5, dan 3 nm, masing-masing. Sedangkan penurunan keterlambatan intrinsik maksimal sebesar 20,4%, 16,7%, dan 18,9%. Selain itu, tolok ukur produk penundaan energi (EDP) terhadap FET 2D lainnya disajikan. Semua FET InSe dengan kontak ohmik terjepit melampaui MoS2 FET serta persyaratan dari ITRS 2024. Hasil terbaik mendekati batas atas BP FET ideal, yang menunjukkan keunggulan struktur terjepit untuk InSe FET dalam generasi berikutnya dari teknologi semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS).
Pengantar
Semikonduktor dua dimensi (2D) telah menarik banyak minat pada perangkat elektronik karena aplikasinya yang menarik untuk generasi berikutnya dari teknologi semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS) [1, 2]. Ketebalannya yang sangat tipis dan sifat dielektrik yang baik dapat memberikan kontrol gerbang elektrostatik yang sangat baik untuk menekan efek saluran pendek yang terkenal [3]. Selain itu, karena beberapa lapisan bahan 2D biasanya memiliki permukaan yang halus dengan kurangnya ikatan menjuntai, mobilitas pembawa keunggulan bahan 2D dapat dipertahankan dengan baik dalam sistem bodi ultra tipis dibandingkan dengan semikonduktor konvensional [4]. Kecuali untuk graphene tanpa celah, sebagian besar semikonduktor 2D yang disintesis seperti dichalcogenides logam transisi (TMDs), fosfor hitam (BP), dan indium selenide (InSe) memiliki celah pita nol-nol dan terbukti cocok untuk transistor efek medan (FET). ). FET berbasis TMD telah menunjukkan rasio hidup-mati yang tinggi sebanyak 10
8
dan arus bocor rendah di perangkat saluran pendek, diuntungkan dari massa efektif yang berat [5]. FET berbasis BP telah menghadirkan karakteristik arus dan switching yang luar biasa [6], karena mobilitas tinggi ~ 1000 cm
2
/V s dan properti transportasi anisotropik [7]. Baru-baru ini, InSe didemonstrasikan untuk menghadirkan mobilitas superioritas ~ 2000 cm
2
/V s pada suhu kamar [8, 9], dan FET berdasarkan InSe mengungkapkan rasio hidup-mati yang tinggi sebesar 10
8
[10]. Perhitungan prinsip pertama juga mengidentifikasi bahwa InSe FET dapat diperkecil dengan baik hingga sub-10 nm dalam batas balistik [11, 12]. Namun, karena pengabaian resistansi kontak dan hipotesis doping berat, mendekati batas teoritis masih menantang dalam aplikasi nyata. Faktanya, karena metode doping yang andal dan cara untuk kontak ohmik berkualitas tinggi masih kurang, FET berdasarkan bahan 2D termasuk InSe biasanya adalah Schottky barrier (SB) FET [13,14,15,16]. SB di daerah aktif menghasilkan resistansi kontak yang besar, dan tingkat doping yang rendah semakin menurunkan kerapatan arus. Mencapai resistansi kontak rendah dengan daerah aktif yang cukup didoping telah menjadi faktor pembatas utama untuk FET berbasis material 2D (2D FET) untuk mencapai kinerja tinggi [17,18,19].
Bertujuan pada masalah di atas, kami mengusulkan kontak ohmik terjepit baru untuk InSe FET. Indium dipilih sebagai logam elektroda, karena studi eksperimental dan teoritis baru-baru ini menunjukkan bahwa indium dapat menjadi kandidat yang menjanjikan untuk InSe FET untuk mencapai kinerja yang baik [20,21,22]. Kami secara teoritis mengevaluasi kualitas kontak ohmik dan kinerja perangkat dengan panjang gerbang 7, 5, dan 3 nm mengikuti kerangka International Technology Roadmap for Semiconductors 2013 (ITRS) [23]. Perlu dicatat meskipun ITRS telah digantikan oleh International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) [24], ITRS2013 menyajikan tren penskalaan yang jelas untuk transistor dan masih diadopsi dalam penelitian terbaru [25, 26]. Naskah ini disusun sebagai berikut:pertama, sifat listrik dari kontak terjepit dan konvensional (atas) diselidiki. Kedua, metrik kinerja perangkat seperti saat ini dan penundaan intrinsik dievaluasi dan dibandingkan dengan persyaratan ITRS. Terakhir, tolok ukur produk tunda daya versus tunda intrinsik disajikan untuk dibandingkan dengan perangkat berbasis material 2D lainnya.
Metode
Semua struktur atom dioptimalkan oleh VASP [27]; pemotongan energi 335 eV digunakan selama semua perhitungan. Sel satuan InSe direlaksasi dengan kriteria tegangan 0,01 eV/Å di bawah kerangka MetaGGA dari SCAN [28]. Parameter kisi logam indium diperoleh dari buku pegangan kimia dan fisika [29]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, konstanta kisi InSe adalah 4,029 , yang sangat sesuai dengan laporan eksperimental [30, 31].
Tampilan atas sel satuan untuk InSe (a ) dan indium (b ), masing-masing
Struktur awal indium pada InSe dibangun dengan 4 × 1 × 1 dan 5 × 2 × 1 unit sel InSe dan permukaan indium (001), masing-masing. Regangan absolut rata-rata adalah 1,32%, yang cukup untuk mempertahankan sifat intrinsik material. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2a, b, struktur terjepit dibangun dengan lapisan indium/InSe/indium, indium sisi bawah dan atas memiliki simetri cermin dengan pusat InSe. Kedua struktur hibrida direlaksasi dengan van der Waals (vdW) fungsional optb88 dengan kriteria gaya pada setiap atom lebih rendah dari 0,02 eV/Å [32, 33]. Area kontak terakhir adalah 16,19 × 6,41 . Resistansi kontak ohmik kemudian dievaluasi oleh perangkat dua probe seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, b. Menyingkirkan resistensi yang tidak perlu dari semikonduktor di luar bidang kontak, InSe di katoda didoping berat dengan 1 × 10
14
e/cm
2
untuk kontak teratas dan terjepit.
Struktur atom kontak dan perangkat dua probe terkait yang digunakan untuk evaluasi resistansi kontak. a , b masing-masing untuk kontak teratas dan terjepit. Koordinat menunjukkan lokasi atom dalam arah bidang luar
Adapun evaluasi kinerja perangkat, geometri InSe FET dengan kontak ohmik terjepit dan atas ditunjukkan pada Gambar. 3a, b, masing-masing. Semua perangkat dan nama node masing-masing mengikuti persyaratan dari ITRS dan IRDS. Parameter perangkat tercantum dalam Tabel 1. Untuk menekan tunneling intra-band, 1 nm underlap (UL) diterapkan pada panjang gerbang 3 nm. Berbeda dengan pemodelan kontak ohmik, tidak ada bagian dalam perangkat yang sengaja didoping. Perangkat dibangun dengan menggabungkan sumber, saluran, dan saluran sepanjang arah transportasi. Saluran dan dua antarmukanya dengan daerah aktif juga dilonggarkan dengan sumber dan saluran tetap. Semua simulasi didasarkan pada teori fungsi non-ekuilibrium Green (NEGF) dan dilakukan oleh QuantumATK dengan perhitungan yang sepenuhnya konsisten [34,35,36], yang biasanya digunakan untuk merancang dan menyelidiki transistor pada node sub-10 nm [17 , 37,38,39]. Set basis terpolarisasi zeta ganda digunakan dengan mech-cut off dari 90 Rydberg. Jaring titik-k paket Monkhorst diambil sampelnya dengan kepadatan 8/Å
−1
× 11/Å
−1
× 180/Å
−1
. Pemecah gradien konjugasi paralel dipilih sebagai pemecah Poisson demi efisiensi. Arus semua perangkat kemudian dapat diperoleh dengan menyelesaikan rumus Landauer-Büttiker [40]:
$$ I\left({V}_{\mathrm{Bias}}\right)=\frac{2e}{h}\int T\left(E,{V}_L,{V}_R\right)\ kiri[{f}_{\mathrm{R}}\left(E,{V}_R\right)-{f}_L\left(E,{V}_L\right)\right] dE $$
Geometri FET InSe dengan diapit (a ) dan atas (b ) kontak
Dimana,VBias adalah bias dan dapat dicapai dengan:VBias = VR ‐ VL , T (E , VL , VR ) adalah koefisien transmisi pembawa, fR (E , VR ) dan fL (E , VL ) adalah fungsi distribusi Fermi-Dirac untuk katoda (drain) dan anoda (sumber), masing-masing.
Hasil dan diskusi
Secara umum, ada tiga faktor kunci yang berhubungan dengan kualitas kontak ohmik pada material 2D [18], yaitu tunneling barrier dan jarak yang berasal dari celah vdW, overlap orbital antara elektroda dan semikonduktor, serta tinggi SB. Pertama, penghalang terowongan dan jarak dijelaskan oleh potensi efektif yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Dibandingkan dengan kontak atas, pengenalan kontak terjepit tidak hanya menyediakan jalur transportasi tambahan di sisi bawah tetapi juga menimbulkan penurunan penghalang terowongan dari 5,48 menjadi 2,38 eV, yang mengarah pada pengurangan 56,6%. Sementara itu, jarak antar muka juga sedikit berkurang dengan 0,66 , yang menunjukkan lebar terowongan terowongan juga berkurang. Kedua, tumpang tindih orbital dapat dievaluasi dari distribusi muatan valensi pada Gambar 4b. Dapat diperhatikan bahwa kontak terjepit memiliki lebih banyak elektron valensi di daerah antarmuka dibandingkan dengan kontak atas, menunjukkan tumpang tindih orbital yang lebih kuat antara indium dan InSe. Fitur ini juga membantu untuk memperkenalkan efek doping ke dalam InSe, dan jumlah elektron berlebih dapat dihitung dengan menggunakan populasi Mulliken. Kami mengekstrak jumlah total elektron dalam InSe dari struktur terjepit dan kontak atas, masing-masing. Kemudian tingkat doping dapat diperoleh dengan membagi nomor elektron dengan luas daerah kontak, karena muatan bersih InSe yang diisolasi harus selalu nol. Seperti yang ditunjukkan pada panel kanan Gambar 4b, kontak terjepit menghasilkan tingkat doping yang sangat tinggi yaitu 1,6 × 10
13
e/cm
2
, yang hampir 2,8 kali lebih tinggi dari kontak teratas. Tingkat tinggi seperti itu telah mendekati hipotesis dalam simulasi FET tunneling 2D, yang biasanya mengklaim tingkat doping yang jauh lebih berat daripada FET semikonduktor oksida logam. Ketiga, kerapatan keadaan (DOS) InSe dalam struktur murni, terjepit, dan kontak atas ditunjukkan Gambar 4c. Tumpang tindih orbital antara indium dan InSe di wilayah antarmuka membuat celah pita InSe menjadi logam, dan terjepit satu menghasilkan tingkat yang lebih tinggi. Fitur ini sangat meningkatkan injeksi pembawa melalui penghalang tunneling vdW di wilayah antarmuka, karena status metalisasi di celah pita menawarkan saluran tunneling tambahan. Selain itu, level Fermi disematkan di atas minimum pita konduksi, menghasilkan degenerasi energi masing-masing ~ 0,07 dan 0,27 eV untuk kontak atas dan terjepit. Oleh karena itu, SB antara indium dan InSe sepenuhnya dihilangkan. Keempat, resistansi kontak ohmik dihitung berdasarkan kurva arus bias yang diperoleh dari perangkat dua probe, dan semua hasilnya ditunjukkan pada Gambar 4d. Kita dapat melihat kedua kontak ohmik karena evolusi linier. Pada tingkat teoretis, yaitu mengabaikan kekasaran permukaan, pengotor antarmuka, dll., struktur terjepit menyebabkan nilai kontak yang sangat rendah 0,032 ± 0,002 mm, yang mengurangi lebih dari setengah resistansi kontak atas. Berdasarkan diskusi di atas, menarik untuk diperhatikan bahwa menggandakan wilayah kontak selalu menghasilkan lebih dari dua kali peningkatan kontak ohmik. Karena kontak atas dengan indium baru-baru ini secara eksperimental dikonfirmasi efektif untuk meningkatkan kinerja perangkat berbasis InSe [21, 22], struktur terjepit dapat menjadi solusi kontak ohmik yang menarik untuk FET InSe.
a Potensial efektif normal terhadap arah transpor. Koordinat sesuai dengan lokasi atom dan didefinisikan pada Gambar. 1. Daerah gelap sesuai dengan celah vdW. b Distribusi elektron rata-rata bidang normal terhadap arah transpor. Panel kanan adalah level doping. Koordinat sesuai dengan lokasi atom dan didefinisikan pada Gambar. 1. c DOS dari InSe. Hijau sesuai dengan InSe murni. d Bias bergantung saat ini dari dua perangkat probe. Semua warna merah dan biru sesuai dengan kontak teratas dan terjepit, masing-masing
Kemudian, kinerja perangkat dievaluasi, dan karakteristik transfer InSe FET pada node 2019, 2021, dan 2024 ditunjukkan pada Gambar. 5. Dapat diamati bahwa subthreshold swing (SS) dari semua node di bawah 100 mV/dec , dan SS pada node 2019 menunjukkan karakteristik switching yang hampir ideal masing-masing sebesar 61,8 dan 64,4 mV/dec untuk perangkat dengan kontak teratas dan terjepit, yang menunjukkan kontrol elektrostatik yang luar biasa di InSe FET. Selain itu, perangkat kontak yang diapit menyebabkan peningkatan nyata pada IDS dibandingkan dengan yang teratas dengan peningkatan maksimum 69,4%, 50%, dan 49% masing-masing dicapai pada 2019, 2021, dan 2024 node. Selanjutnya, sayaAKTIF diekstraksi mengikuti persyaratan kinerja tinggi (HP) di ITRS. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5d, sayaON dari semua sistem jauh di atas kebutuhan HP. Dibandingkan dengan perangkat yang paling sering dihubungi, sistem terjepit masih menghadirkan promosi masing-masing sebesar 38,2%, 27,3%, dan 20,5% untuk node 2019, 2021, dan 2024.
Mentransfer karakteristik FET InSe di node. a 2019, b 2021, dan c 2024 node, masing-masing. d Perbandingan ION mengikuti persyaratan HP ITRS
Metrik penting lainnya dari FET adalah penundaan intrinsik (τ), yang menandakan batas atas kecepatan switching dalam rangkaian logis. diperoleh oleh τ = (TAKTIF TMATI )/SayaAKTIF , di mana TAKTIF dan TMATI adalah biaya di negara-negara dan off, masing-masing. Status on dan off dibatasi pada |VDS |=0,68, 0,64, dan 0,64 V masing-masing untuk 2019, 2021, dan 2024. Penundaan intrinsik sebagai fungsi rasio on-off ditunjukkan pada Gambar. 6. Meskipun evolusi non-monotonik pada penundaan besar yang berasal dari tunneling di bawah tegangan gerbang rendah [41], semua penundaan di bawah 0,15 ps dan cukup diturunkan dari persyaratan ITRS 0,44-0,46 ps. Selain itu, perangkat kontak yang diapit menyebabkan pengurangan lebih dari 30% di wilayah ION /SayaMATI 10
7
, 10
6
, 10
5
untuk 2019, 2021, dan 2024 node, masing-masing. Berdasarkan persyaratan HP yang ditunjukkan pada Gambar. 6d, perangkat kontak terjepit masih dapat meningkatkan kecepatan peralihan dengan masing-masing 20,4%, 16,7%, dan 18,9% untuk node 2019, 2021, dan 2024.
Penundaan intrinsik sebagai fungsi rasio on-off pada node. a 2019, b 2021, dan c 2024 node, masing-masing. d Perbandingan penundaan intrinsik mengikuti persyaratan HP dari ITRS
Untuk mengevaluasi kinerja perangkat secara lebih intuitif, produk penundaan daya (PDP) versus penundaan intrinsik diekstraksi. PDP sesuai dengan konsumsi daya dalam satu peristiwa switching dan ditentukan oleh PDP = (QON TMATI )VDS dengan semua parameter yang berasal dari persyaratan HP ITRS. Hasil dan perbandingan dengan FET 2D lainnya ditunjukkan pada Gambar 7. Pertama, semua FET 2D dipilih berdasarkan aturan bahwa mereka telah diverifikasi sebelumnya sebagai transistor dalam laporan eksperimental, yang melangkah lebih jauh untuk teknologi CMOS. Kedua, kecuali InSe dan MoS2 [42], semua perangkat lain disimulasikan dengan doping berat di daerah aktif dan mengabaikan resistansi kontak ohmik [43, 44], oleh karena itu hasilnya sesuai dengan batas atas kinerja. Seperti dapat dilihat, semua produk penundaan energi (EDP) berada di bawah persyaratan ITRS 2024, menunjukkan masa depan FET 2D yang menarik. Maksimum EDP milik MoS2 FET pada 9,9 nm, dan yang terbaik adalah dari BP FET. Sedangkan untuk InSe FET, perangkat yang terhubung terjepit selalu berkinerja lebih baik daripada yang paling banyak dihubungi di semua node. EDP tertinggi dari perangkat yang terhubung terjepit adalah pada panjang gerbang 7 nm (node 2019) dan melebihi semua MoS2 FET. Yang terendah adalah pada panjang gerbang 3 nm (2024 node) dan bahkan mendekati batas atas BP FET di arah kursi, yang terkenal dengan sifat transportasi yang luar biasa. Oleh karena itu, EDP dari InSe FET menandakan bahwa perangkat kontak terjepit menunjukkan daya saing yang cukup di antara FET 2D.
Produk penundaan daya versus penundaan intrinsik terdiri dari InSe dan FET 2D lainnya. Pedoman putus-putus abu-abu sesuai dengan EDP tertentu
Kesimpulan
Dalam karya ini, kontak ohmik terjepit baru dengan indium diusulkan untuk InSe FET. Kontak ohmik yang diapit tidak hanya menggandakan wilayah kontak tetapi juga meningkatkan kualitas kontak lebih dari dua kali, yang mengarah ke resistansi kontak yang sangat baik. Pada tingkat kinerja perangkat dengan panjang gerbang 7, 5, dan 3 nm, FET InSe dengan kontak ohmik terjepit menghadirkan promosi kinerja universal dibandingkan dengan perangkat kontak atas konvensional. Di bawah persyaratan HP dari ITRS, penundaan saat ini dan penundaan intrinsik ditingkatkan dengan masing-masing 38,2~20,5% dan 20,4~16,7%. Tolok ukur EDP terhadap FET 2D lainnya juga mengungkapkan bahwa FET InSe dengan kontak ohmik terjepit memiliki keunggulan dibandingkan FET 2D lainnya. Studi kami menawarkan rute baru menuju FET InSe berperforma tinggi.
Ketersediaan data dan materi
Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
Singkatan
2D:
Dua dimensi
CMOS:
Semikonduktor oksida logam komplementer
TMD:
Dichalcogenides logam transisi
BP:
Fosfor hitam
Dalam:
Indium selenide
FET:
Transistor efek medan
SB:
Penghalang Schottky
FET 2D:
FET berbasis material 2D
ITRS:
Roadmap Teknologi Internasional untuk Semikonduktor
