Суб-10-нм полевые транзисторы на InSe с новыми сэндвич-контактами из индия: теоретическое исследование

Аннотация

Двумерный селенيد индия (InSe) стал перспективным канальным материалом для будущих CMOS узлов, предлагая подвижности носителей около 2000 см²/В·с и отношения вкл/выкл выше 10⁸ в экспериментальных приборах. Теоретические работы предсказывали, что InSe полевые транзисторы (ПТ) могут сохранять высокую производительность до суб-10-нм длин затвора в баллистическом пределе, однако достижение низкосопротивных омических контактов остается основным узким местом. Здесь мы вводим новую архитектуру сэндвич-контактов из индия — индий/InSe/индий — которая одновременно устраняет туннельный барьер, подавляет Шотткиевский барьер и обеспечивает эффективное n-типа легирование. Расчеты с первых принципов показывают, что контактное сопротивление падает до 0,032 ± 0,002 Ом·мм, что на более 50% ниже относительно конвенциональных верхних контактов. Моделирование приборов для длин затвора 7, 5 и 3 нм демонстрирует, что сэндвич-контакты повышают ток насыщения на 69,4%, 50% и 49% соответственно, а также снижают внутреннюю задержку на 20,4%, 16,7% и 18,9%. Бенчмарки продукта энергия-задержка (EDP) показывают, что InSe ПТ с сэндвич-контактами превосходят MoS₂ приборы и соответствуют спецификациям Международного технологического роадмапа полупроводников (ITRS) 2024, приближаясь к верхнему пределу идеальных ПТ на черном фосфоре. Эти выводы устанавливают сэндвич-структуру как убедительный путь к высокопроизводительным InSe транзисторам в следующем поколении логической технологии.

Введение

Двумерные (2D) полупроводники привлекают интенсивный интерес для CMOS приборов следующего поколения благодаря их атомарно тонкому телу, отличному электростатическому контролю и превосходной подвижности носителей по сравнению с объемными аналогами. Помимо графена, семейство 2D материалов — включая дихалкогениды переходных металлов (TMD), черный фосфор (BP) и селенид индия (InSe) — предлагают запрещенные зоны, позволяющие высокие отношения вкл/выкл в полевых транзисторах (ПТ). TMD-базированные ПТ демонстрируют отношения вкл/выкл до 10⁸ благодаря их большой эффективной массе, в то время как BP приборы получают выгоду от подвижностей около 1000 см²/В·с и выраженной анизотропии. InSe недавно показал подвижности до 2000 см²/В·с при комнатной температуре и отношения вкл/выкл выше 10⁸, делая его сильным кандидатом для суб-10-нм масштабирования. Однако реализация теоретического потенциала InSe ПТ препятствует отсутствию надежных методов легирования и высококачественных омических контактов. Большинство 2D-приборов работают как Шотткиевские барьерные ПТ (SBFET), где металл/полупроводник интерфейс навязывает значительное контактное сопротивление и ограничивает плотность тока. Достижение низкосопротивных, сильно легированных контактов является поэтому центральной проблемой для высокопроизводительных 2D транзисторов. Для устранения этого узкого места мы предлагаем новую геометрию сэндвич-омического контакта, использующую индийные электроды с обеих сторон InSe канала. Недавние экспериментальные и теоретические работы идентифицировали индий как перспективный металл для InSe, обеспечивающий хорошее выравнивание зон и сильное орбитальное перекрытие. В этой работе мы систематически оцениваем электронную структуру и контактное сопротивление сэндвич-дизайна с помощью расчетов с первых принципов, и бенчмарким производительность транзисторов (длины затвора 7, 5 и 3 нм) против спецификаций ITRS 2013/IRDS 2024 и других передового 2D ПТ.

Методы

Все атомные структуры оптимизировались пакетом Vienna Ab-Initio Simulation Package (VASP) с плоско-волновым отсечением 335 эВ. Решетковая постоянная InSe сошлась к 4,029 Å, в отличном согласии с экспериментом. Параметры металлического индия взяты из CRC Handbook. Начальный индий/InSe интерфейс строился используя 4×1×1 InSe и 5×2×1 индий (001) пласты, давая среднюю деформацию 1,32%. Обе геометрии верхнего контакта и сэндвич-контакта релаксировали с optB88 ван-дер-Ваальс функционалом, достигнув сил ниже 0,02 эВ/Å. Контактная площадь для двухзондовых расчетов составляла 16,19 Å × 6,41 Å. Для извлечения контактного сопротивления мы использовали двухзондовую модель, в которой InSe канал под контактом был сильно легирован (1×10¹⁴ е/см²) для подавления внешнего последовательного сопротивления. Вольт-амперные характеристики рассчитывались формализмом Ландауэра-Бюттикера. Моделирование приборов проводилось формализмом неравновесных функций Грина (NEGF) в QuantumATK. Канал, источник и сток строились вдоль направления транспорта, с 1 нм подзазором для 3-нм устройства для смягчения межзонного туннелирования. Использовали двойной-дзета поляризованный базис и 90 Ридберг отсечение энергии, а зона Бриллюэна сэмплировалась сеткой 8/Å⁻¹ × 11/Å⁻¹ × 180/Å⁻¹ k-точек. Все расчеты были полностью самосогласованными.

Внутренняя задержка (τ) рассчитывалась как τ = (Q_ON − Q_OFF)/I_ON, с Q_ON и Q_OFF извлеченными из емкостно-напряженных характеристик при |V_DS| = 0,68 В (2019 нм), 0,64 В (2021 нм) и 0,64 В (2024 нм). Продукт мощность-задержка (PDP) определялся как PDP = (Q_ON − Q_OFF) V_DS.

Результаты и обсуждение

Три ключевых фактора определяют качество омических контактов в 2D материалах: туннельный барьер, высота Шотткиевского барьера (SB) и интерфейсное орбитальное перекрытие. Рис. 4a показывает, что сэндвич-контакт снижает эффективный туннельный барьер с 5,48 эВ (верхний контакт) до 2,38 эВ — уменьшение на 56,6% — а также сокращает ван-дер-Ваальс зазор на 0,66 Å. Усиленное орбитальное перекрытие видно в плоскостно-усредненной зарядной плотности (рис. 4b), где сэндвич-структура обеспечивает более высокую электронную плотность на интерфейсе. Анализ популяции Малликена дает n-типа легирование 1,6×10¹³ е/см² для сэндвич-контакта, почти в 2,8 раза выше верхнего контакта, приближаясь к тяжелому легированию, используемому в 2D туннельных ПТ симуляциях. Графики плотности состояний (DOS) (рис. 4c) раскрывают, что индий-InSe взаимодействие металлизирует запрещенную зону InSe в обеих схемах контактов, но сэндвич-контакт достигает большей плотности металл-индуцированных зазоровых состояний. Следовательно, закрепление ферми-уровня лежит на 0,07 эВ (верхний) и 0,27 эВ (сэндвич) выше минимума проводимости, эффективно устраняя SB. Контактное сопротивление, извлеченное из двухзондовых симуляций (рис. 4d), показывает линейную ВАХ для обоих типов контактов, подтверждая омическое поведение. Сэндвич-дизайн дает сопротивление 0,032 ± 0,002 Ом·мм — более чем на 50% ниже верхнего контакта — подчеркивая преимущество удвоения контактной площади. Метрики производительности приборов представлены на рис. 5. Субпороговый сдвиг (SS) остается ниже 100 мВ/дек для всех узлов, с 2019 нм прибором достигающим 61,8 мВ/дек (верхний) и 64,4 мВ/дек (сэндвич). Сэндвич-контакты увеличивают стоковый ток (I_DS) на 69,4% (2019 нм), 50% (2021 нм) и 49% (2024 нм) по сравнению с их верхнеконтактными аналогами. Ток в открытом состоянии (I_ON) превосходит требование ITRS высокой производительности (HP) во всех узлах, с дополнительными приростами 38,2% (2019 нм), 27,3% (2021 нм) и 20,5% (2024 нм) для сэндвич-устройств. Внутренняя задержка (τ) отображена против отношения вкл/выкл на рис. 6. Все приборы демонстрируют τ < 0,15 пс, значительно ниже цели ITRS 2013 0,44-0,46 пс. Сэндвич-контакты снижают τ на 20,4% (2019 нм), 16,7% (2021 нм) и 18,9% (2024 нм) при высоких отношениях вкл/выкл. Эти улучшения переводятся в более быстрые скорости переключения без жертвы током насыщения. Наконец, продукт энергия-задержка (EDP) бенчмаркится на рис. 7 против других 2D ПТ, прошедших экспериментальную валидацию. Все InSe приборы с сэндвич-контактами лежат ниже требования ITRS 2024 EDP, превосходя MoS₂ ПТ и приближаясь к потолку производительности BP ПТ. Лучший EDP достигается для 3-нм заторного устройства (2024 нм узел), подчеркивая преимущество масштабируемости сэндвич-архитектуры. Совокупно эти результаты демонстрируют, что сэндвич индийный контакт не только смягчает ключевые препятствия к высокопроизводительным InSe транзисторам — туннельный барьер, SB и легирование — но и доставляет метрики приборов, превосходящие отраслевые дорожные карты и соперничающие с лучшими 2D ПТ.

Заключение

Мы ввели сэндвич омический контакт из индия для InSe ПТ, который эффективно устраняет туннельный барьер, удаляет Шотткиевский барьер и индуцирует существенное n-типа легирование. Контактное сопротивление снижено до 0,032 ± 0,002 Ом·мм, улучшение >50% над конвенциональными верхними контактами. Моделирование приборов при 7, 5 и 3 нм длинах затвора демонстрирует универсальные приросты производительности: ток в открытом состоянии увеличивается на 20,5-38,2% и внутренняя задержка уменьшается на 16,7-20,4% относительно ITRS HP бенчмарков. Анализ энергия-задержка показывает, что сэндвич-приборы превосходят MoS₂ ПТ и соответствуют требованиям ITRS 2024, приближаясь к теоретическому пределу BP ПТ. Эти результаты устанавливают сэндвич-архитектуру как жизнеспособный путь к высокопроизводительным InSe транзисторам для CMOS технологии следующего поколения.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные в этом исследовании, доступны у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Аббревиатуры

2D

Двумерный

CMOS

Комплементарный металл-оксид-полупроводник

TMDs

Дихалкогениды переходных металлов

BP

Черный фосфор

InSe

Сelenид индия

FET

Полевой транзистор

SB

Шотткиевский барьер

2D FET

ПТ на базе 2D материала

ITRS

Международный технологический роадмап полупроводников

vdW

ван-дер-Ваальс

UL

Подзазор

NEGF

Неравновесные функции Грина

DOS

Плотность состояний

SS

Субпороговый сдвиг

HP

Высокая производительность

τ

Внутренняя задержка

PDP

Продукт мощность-задержка

EDP

Продукт энергия-задержка