V族烯和新型Ⅳ族烯的界面性质、载流子迁移率以及器件的表演极限

Group V–enes (phosphorene, arsenene, antimonene, and bismuthumene) and heavier Group IV–ene (stanene) are new 2D elemental crystal, following graphene, silicene and germanene. They become a hot topic of low-dimensional material study because they have a simple structure, a nonzero band gap, and a high or potentially high carrier mobility. We first plan to investigate the quasiparticle band structure of blue phosphorene, arsenene, and antimonene and then investigate the optical absorption property with inclusion of electron-hole interaction. Schottky barrier is present in most of semiconductor-metal interfaces and affect the device performance significant. We plan to study the semiconductor-metal interfacial energy band properties of Group V-enes and stanene and obtain their Schottky barrier height of the interfaces by the energy band analysis and quantum transport simulation. Carrier mobility is one key figure of merit of a transistor, and high carrier mobility is desirable for a high speed device. We will calculate the carrier mobility of Group V-enes and stanene based on first principles complete electron-phonon coupling treatment. Owing to depressed short channel effects and fewer trap, 2D materials are a promising candidate channel material of sub-10 nm transistors and included in International Technology Roadmap of Semiconductors (ITRS). We will simulate sub-10 nm Group V-ene transistors. We will make a comparison with advanced Si devices and other 2D material devices and check whether they under performance limit can meet the requirement of ITRS in the next decade. Our goal is to enable Moore’s law down to sub-10 nm region by the use of 2D material.

V族烯（磷烯、砷烯、锑烯、铋烯）以及IV族中较重的锡烯是继石墨烯，硅烯，锗烯之后新出现的2D烯材料。由于结构简单，存在能隙，有或者可能有高的载流子迁移率，迅速成为低维材料研究的热点。计划研究蓝色磷烯、砷烯和锑烯的准粒子能带和考虑电子空穴相互作用的光学吸收谱。肖特基势垒广泛存在于金属半导体界面，影响着器件性能。拟研究V族烯和锡烯与金属的界面性质，利用能带结构和量子输运模拟计算出界面的肖特基势垒。载流子迁移率是晶体管的重要指标，高速器件需要高载流子迁移率。计算完全电声耦合下V族烯和锡烯的载流子迁移率。2D材料具有减小的短沟道效应和较少的陷阱态，是未来亚10 nm 晶体管的候选沟道材料之一，已经进入国际半导体技术线路图。模拟亚10 nm的V族烯晶体管，看其在表演极限下能否与高级硅装置和其他2D材料竞争以及能否满足国际半导体线路图未来10年的需要，希望通过2D材料把摩尔定律延续到亚10 nm。

硅晶体管已经达到其物理极限。摩尔定律难以靠硅晶体管延续到亚10纳米尺寸。二维材料具有原子级平整，厚度超薄，以及无侧向悬挂件的特点，可以实现更高效的门控和电子输运，被视为后硅时代潜在的沟道材料。要取代硅的二维材料需要稳定且具有高载流子迁移率。V族烯（磷烯、砷烯、锑烯、铋烯）以及IV族中较重的锡烯是继石墨烯，硅烯，锗烯之后新出现的2D烯材料。由于结构简单，存在能隙，可能有高的载流子迁移率，迅速成为低维材料研究的热点。..我们完成了原定计划研究中关于新的烯--V族烯中砷烯和锑烯的准粒子能带和考虑电子空穴相互作用的光学吸收谱的计算。利用第一性原理量子输运模拟，研究了单层黑磷烯（BP烯），砷烯（As烯），锑烯（Sb烯），铋烯（Bi烯），碲烯（Te烯），硒化铟（InSe），铋氧硒（Bi2O2Se）等晶体管的器件性能极限。计算了转移曲线、开关比、亚阈值摆幅、延迟时间等关键参数，并与国际半导体技术路线图（ITRS）的高表现和低功耗器件的标准进行对比，发现此类晶体管在亚5nm尺寸下仍有良好表现。此研究对于挑选亚10nm二维晶体管沟道材料进而延续摩尔定律具有指导意义。..由于实验上往往采用金属直接接触对二维材料进行掺杂，在这样的半导体-金属的界面往往会形成的肖特基势垒，从而减小载流子的注入效率，进而降低器件的表现。我们利用本课题组发展较为成熟的晶体管位型下金属半导体界面的方法，系统研究了二维BP烯，As烯，Sb烯， Bi烯, Sn烯，Te烯，InSe，Bi2O2Se与金属的界面性质，确定了其中的肖特基势垒，为形成低接触电阻的器件提供了参考。此外，预测并证明“具有蜂窝状原子排布的碳原子掺杂氮化硼（BNC）杂化材料是一种全新二维谷电子学材料”，研究结果发表在《纳米快报》上。..在本基金的支持下，目前我们已经发表SCI论文58篇，其中2篇（Nanoscale,11(2) 532-540(2019); Nano Res., 11(2), 707-721(2018)）工作进入ESI高被引论文。在2D 单原子层晶体管的第一性原理模拟方面我们走在了国际的前列。获得2020年陕西省高等学校科技进步二等奖，提名2020年国家自然科学二等奖。