MoS2叠层纳米片场效应晶体管的模拟

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过去随着半导体技术的发展，晶体管的尺寸不断减小，集成度每隔18~24个月便会成倍增长。然而，随着晶体管横向尺寸逐渐进入纳米尺度，漏电流增大、roll-off、亚阈值斜率退化等短沟道效应越来越严重。基于新型二维半导体材料的小尺寸晶体管，作为电子器件领域的新兴方向，近年来在尺寸微缩方面取得了突破，有望进一步延续摩尔定律进程。研究表明，相比硅半导体，二维过渡金属硫化物二硫化钼由于宽带隙、低介电常数以及极薄的厚度等特性，被认为有更好的特征长度和微缩优势。采用二硫化钼为沟道材料的小尺寸晶体管近年来被广泛研究和报道。然而，目前对基于二维材料的小尺寸器件的性能评估局限于平面型结构。在先进节点下，进一步用模型预测的方式评估二维材料的优势仍需要探索。

近日，清华大学集成电路学院的任天令教授团队就上述问题开展了研究，相关论文以“Simulation of MoS2 stacked nanosheet field effect transistor”为题，作为封面文章在Journal of Semiconductors (《半导体学报》) 第8期发表，第一作者是清华大学博士研究生沈阳。

图1. 堆叠型二维晶体管结构和模型参数提取。

该研究结合第一性原理和TCAD仿真跨尺度仿真模型，研究了在应用于主流工艺3nm节点的堆叠型晶体管工艺下，二维材料在I-V、C-V特性等方面的优势。他们发现，栅长从16nm缩短至8nm，硅基堆叠型晶体管SS、DIBL、roll-off等急剧增加，出现严重的短沟效应。而二硫化钼在8nm栅长仍然可以维持陡峭的开关和较低的阈值偏移。同时，二硫化钼的原子层厚度也带来了约20%的栅极电容下降。因此，可以得出结论，以二硫化钼为代表的二维半导体材料在高集成电路中拥有一定的性能优势，MoS2堆叠型晶体管是延续摩尔定律的技术路径之一。

图2. 堆叠型二维晶体管特性预测和对比。

审核编辑 ：李倩