Sub-10 nm InSe veld-effekt transistoren mogelijk gemaakt door nieuwe gesandwichte indium ohmische contacten: Een theoretische studie

Samenvatting

Twee-dimensionaal indiumselenide (InSe) heeft zich ontwikkeld als een veelbelovend kanaalmateriaal voor toekomstige CMOS-knooppunten, met draagladingsmobiliteiten van ongeveer 2 000 cm²/V·s en aan/uit-verhoudingen boven 10⁸ in experimentele apparaten. Theoretisch werk voorspelde dat InSe veld-effekt transistoren (FETs) hoge prestaties kunnen behouden tot sub-10 nm gatengtes in de ballistische limiet, doch het bereiken van lage-weerstand ohmische contacten blijft de primaire knelpunt. Hier introduceren we een nieuwe gesandwichte indium-contactarchitectuur - indium/InSe/indium - die gelijktijdig de tunnelbarrière elimineert, de Schottky-barrière onderdrukt, en effectieve n-type doping levert. Eerst-principes berekeningen tonen aan dat de contactweerstand daalt tot 0.032 ± 0.002 Ω·mm, een reductie van meer dan 50% ten opzichte van conventionele topcontacten. Apparaatsimulaties voor gatengtes van 7, 5 en 3 nm tonen aan dat de gesandwichte contacten de dryfstroom verhogen met 69.4%, 50% en 49% respectievelijk, terwijl de intrinsieke vertraging vermindert met 20.4%, 16.7% en 18.9%. Energie-vertraging-product (EDP) benchmarks onthullen dat InSe FETs met gesandwichte contacten MoS₂ apparaten overtreffen en voldoen aan de International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) 2024 specificaties, de theoretische limiet van ideale zwarte-fosfor FETs benaderend. Deze bevindingen vestigen de gesandwichte structuur als een overtuigende route naar hoogpresterende InSe transistoren in de volgende generatie logische technologie.

Inleiding

Twee-dimensionale (2D) halfgeleiders trekken intense belangstelling voor volgende-generatie complementaire metaal-oxide-halfgeleider (CMOS) apparaten vanwege hun atoomdunne lichaam, uitstekende elektrostatische controle, en superieure draagladingsmobiliteiten vergeleken met bulk-gelijkenis. Naast grafene, biedt de familie van 2D materialen - inclusief overgangsmetaal-dichalcogeniden (TMDs), zwart fosfor (BP), en indiumselenide (InSe) - bandgaten die hoge aan/uit-verhoudingen in veld-effekt transistoren (FETs) mogelijk maken. TMD-gebaseerde FETs vertonen aan/uit-verhoudingen zo hoog als 10⁸ dankzij hun zware effectieve massa, terwijl BP-apparaten profiteren van mobiliteiten nabij 1 000 cm²/V·s en duidelijke anisotropie. InSe is recent aangetoond mobiliteiten tot 2 000 cm²/V·s bij kamertemperatuur en aan/uit-verhoudingen boven 10⁸ te bereiken, wat het een sterke kandidaat maakt voor sub-10 nm schaling. Echter, het realiseren van het theoretische potentieel van InSe FETs wordt belemmerd door het gebrek aan betrouwbare dopingsmethoden en hoogwaardige ohmische contacten. De meeste 2D-gebaseerde apparaten functioneren als Schottky-barrière FETs (SBFETs), waar de metaal/halfgeleider-interface een significante contactweerstand oplegt en stroomdichtheid beperkt. Het bereiken van lage-weerstand, zwaar gedopeerde contacten is daarom een centrale uitdaging voor hoogpresterende 2D transistoren. Om deze knelpunt aan te pakken, stellen we een nieuwe gesandwichte ohmische contactgeometrie voor die indium-elektroden aan beide kanten van het InSe-kanaal gebruikt. Recente experimentele en theoretische studies hebben indium geïdentificeerd als een veelbelovend metaal voor InSe, wat goede banduitlijning en sterke orbitale overlapping biedt. In dit werk evalueren we systematisch de elektronische structuur en contactweerstand van het gesandwichte ontwerp met eerst-principes berekeningen, en benchmarken de resulterende transistorprestaties (gatengtes 7, 5, en 3 nm) tegen ITRS 2013/IRDS 2024 specificaties en andere state-of-the-art 2D FETs.

Methoden

Alle atoomsche structuren werden geoptimaliseerd met de Vienna Ab-Initio Simulation Package (VASP) gebruikmakend van een vlakke-golf afsnijwaarde van 335 eV. De InSe roosterconstante convergeerde naar 4.029 Å, in uitstekende overeenstemming met experiment. Indium-metaalparameters werden genomen uit de CRC Handbook. De initiële indium/InSe-interface werd geconstrueerd met 4×1×1 InSe en 5×2×1 indium (001) platen, wat een gemiddelde spanning van 1.32% opleverde. Zowel de top-gecontacteerde als gesandwichte geometrieën werden ontspannen met de optB88 van der Waals functionele, bereikend krachten onder 0.02 eV/Å. Het contactoppervlak voor de tweepunt-berekeningen was 16.19 Å × 6.41 Å. Om contactweerstand te extraheren, gebruikten we een tweepunt-model waarin het InSe-kanaal onder het contact zwaar gedopeerd was (1×10¹⁴ e/cm²) om extrinsieke serieweerstand te onderdrukken. De stroom-spanningskarakteristieken werden berekend met de Landauer-Büttiker formalisme. Apparaatsimulaties werden uitgevoerd met de Non-Equilibrium Green's Function (NEGF) formalisme in QuantumATK. Het kanaal, bron, en drain werden geconstrueerd langs de transportrichting, met een 1 nm gatenafstand voor het 3 nm gatengte apparaat om band-naar-band tunneling te mitigeren. Een dubbele-zeta gepolariseerde basisset en een 90 Rydberg energiasnijding werden gebruikt, en de Brillouin-zone werd bemonsterd met een 8/Å⁻¹ × 11/Å⁻¹ × 180/Å⁻¹ k-punt rooster. Alle berekeningen waren volledig zelfconsistent.

Intrinsieke vertraging (τ) werd berekend als τ = (Q_ON − Q_OFF)/I_ON, met Q_ON en Q_OFF geëxtraheerd uit de capaciteit-spanningskarakteristieken bij |V_DS| = 0.68 V (2019 nm), 0.64 V (2021 nm), en 0.64 V (2024 nm). Het vermogen-vertraging-product (PDP) werd gedefinieerd als PDP = (Q_ON − Q_OFF) V_DS.

Resultaten en Discussie

Drie cruciale factoren bepalen de kwaliteit van ohmische contacten in 2D materialen: de tunnelbarrière, de Schottky-barrière (SB) hoogte, en de interfaciale orbitale overlapping. Figuur 4a toont dat het gesandwichte contact de effectieve tunnelbarrière reduceert van 5.48 eV (topcontact) naar 2.38 eV - een reductie van 56.6% - terwijl ook de van der Waals-gat verkort met 0.66 Å. De verbeterde orbitale overlapping is zichtbaar in de vlak-gegemiddelde ladingdichtheid (Fig. 4b), waar de gesandwichte structuur een hogere elektrondichtheid aan de interface levert. Mulliken-populatieanalyse levert een n-type dopingsniveau van 1.6 × 10¹³ e/cm² voor het gesandwichte contact, bijna 2.8 keer dat van het topcontact, naderend aan de zware dopingsniveaus gebruikt in 2D tunnel-FET simulaties. De dichtheid-van-toestanden (DOS) plots (Fig. 4c) onthullen dat de indium-InSe-interactie het InSe-bandgat in beide contactschema's metalliciseert, maar het gesandwichte contact bereikt een grotere metaal-geïnduceerde gattoestandsdichtheid. Gevolglijk ligt de Ferminiveau-pinning 0.07 eV (top) en 0.27 eV (gesandwichte) boven het geleidingsbandminimum, wat de SB effectief elimineert. Contactweerstand geëxtraheerd uit de tweepunt-simulaties (Fig. 4d) toont een lineaire I-V karakteristiek voor beide contacttypen, wat ohmisch gedrag bevestigt. Het gesandwichte ontwerp levert een weerstand van 0.032 ± 0.002 Ω·mm - meer dan 50% lager dan het topcontact - wat het voordeel van het verdubbelen van het contactoppervlak benadrukt. Apparaatprestatiemetrieken worden gepresenteerd in Figuur 5. De subdrempelhelling (SS) blijft onder 100 mV/dec voor alle knooppunten, met het 2019 nm apparaat 61.8 mV/dec (top) en 64.4 mV/dec (gesandwichte) bereikend. De gesandwichte contacten verhogen de drainstroom (I_DS) met 69.4% (2019 nm), 50% (2021 nm), en 49% (2024 nm) vergeleken met hun top-gecontacteerde tegenhangers. De aan-toestandsstroom (I_ON) overschrijdt de ITRS high-performance (HP) eis in alle knooppunten, met additionele winsten van 38.2% (2019 nm), 27.3% (2021 nm), en 20.5% (2024 nm) voor de gesandwichte apparaten. Intrinsieke vertraging (τ) wordt uitgezet tegen de aan/uit-verhouding in Figuur 6. Alle apparaten vertonen τ < 0.15 ps, ver onder het ITRS 2013 doel van 0.44-0.46 ps. De gesandwichte contacten verlagen τ met 20.4% (2019 nm), 16.7% (2021 nm), en 18.9% (2024 nm) bij hoge aan/uit-verhoudingen. Deze verbeteringen vertalen naar snellere schakelsnelheden zonder stroomdryf in te boeten. Ten slotte wordt het energie-vertraging-product (EDP) gebenchmarkt in Figuur 7 tegen andere 2D FETs die experimentele validatie ontmoeten. Alle InSe apparaten met gesandwichte contacten vallen onder de ITRS 2024 EDP-eis, overtreffen MoS₂ FETs en benaderen het prestatieplafond van BP FETs. De beste EDP treedt op voor het 3 nm gatengte apparaat (2024 nm knooppunt), wat het schaalbaarheidsvoordeel van de gesandwichte architectuur benadrukt. Collectief tonen deze resultaten aan dat het gesandwichte indium-contact niet alleen de cruciale obstakels voor hoogpresterende InSe transistoren - tunnelbarrière, SB, en doping - mitigeert, maar ook apparaatmetrieken levert die industriële routekaart-doelen overschrijden en de beste 2D FETs evenaren.

Conclusies

We hebben een gesandwichte indium ohmisch contact voor InSe FETs geïntroduceerd dat de tunnelbarrière effectief elimineert, de Schottky-barrière verwijdert, en substantiële n-type doping induceert. De contactweerstand wordt gereduceerd tot 0.032 ± 0.002 Ω·mm, een > 50% verbetering ten opzichte van conventionele topcontacten. Apparaatsimulaties bij 7, 5, en 3 nm gatengtes demonstreren universele prestatiewinst: aan-toestandsstroom neemt toe met 20.5-38.2% en intrinsieke vertraging daalt met 16.7-20.4% ten opzichte van de ITRS HP-benchmarks. Energie-vertraging-product analyse toont aan dat de gesandwichte apparaten MoS₂ FETs overtreffen en voldoen aan de 2024 ITRS eisen, de theoretische limiet van BP FETs benaderend. Deze resultaten vestigen de gesandwichte architectuur als een haalbare weg naar hoogpresterende InSe transistoren voor volgende-generatie CMOS-technologie.