低维异质结隧穿场效应晶体管界面问题研究与性质调控

The needs for low power consumption circuits have promoted studies on tunnel field-effect transistors (TFETs). The TFETs can work with extremely low voltages. However, the most serious problem of TFETs is their small on-state current densities. Low-dimensional heterojunctions which have atomically abrupt interfaces are very important for TFETs’ on-state current increase. But the on-state performance of the low-dimensional heterojunction TFETs in experiments is still unsatisfactory. Considering few studies have been focused on the low-dimensional heterojunction interfaces which are key factor for carrier tunneling, the interface issues of low-dimensional heterojunctions will be studied in this research project, such as state mutual diffusion, relative movement, and charge transfer. The study is organized as follows: 1) Research on the physical effects induced by the interface issues using density functional theory, such as the degradation of band structure abruptness and the fluctuations of band offset values. 2) Construct quantum transport model and study the blocking effect of the interface issues on tunneling transport. 3) Propose modulation strategies to restrain the effects of interface issues on band structures and enhance carriers’ tunneling probabilities. 4) Tune experimental method according to the modulation strategies to produce TFETs and verify their on-state behavior improvement. The main purpose of this project is to overcome the blocking effect of the interface issues on carrier tunneling and propose a new idea to enhance the TFETs’ on-state current densities.

当今社会对低功耗电路的需求促进了以隧穿为输运机制的场效应晶体管（TFET）的研究，它能够在极低的电压下工作，但较低的开态电流密度是其面临的最主要问题。拥有原子级突变界面的低维异质结对于提升TFET开态性能具有重要意义。然而，现阶段低维异质结TFET实验电流密度依然较小。考虑到载流子隧穿概率强烈依赖于异质结界面质量而低维异质结界面问题的相关研究较少，本项目聚焦低维异质结界面能态扩散、相对位移和电荷转移等问题：通过密度泛函理论探究界面问题引起的异质结能带突变性质衰减或能带补偿量起伏等物理效应；构建量子输运模型，研究界面问题对TFET隧穿输运的阻碍效果；设计调控策略抑制界面问题对能带结构的影响，提高载流子隧穿概率；根据调控策略改变实验手段，制备TFET并验证开态性能的提升。项目的最终目的是通过理论与实验的结合克服低维异质结界面问题对载流子隧穿的阻碍作用，为增加TFET开态电流密度提供新的思路。

低维半导体材料拥有原子级、无悬挂键的平整表面，是载流子输运的理想载体。通过范德华力堆垛不同低维半导体，可以形成不受晶格匹配限制的异质结，展现出完美的界面突变特性，适用于隧穿场效应晶体管（TFET）沟道。聚焦低维半导体异质结隧穿输运研究，本项目主要从以下三个方面展开：a）掌握界面问题造成低维异质结TFET 隧穿性能不佳的主要物理机制；b）形成一套能将界面问题包含进TFET 量子输运仿真的建模方法；c）能够理论上提出异质结界面性质调控策略并通过实验加以验证。我们通过研究发现，低维范德华异质结层间隧穿输运依赖于第三类异质结能带结构的形成，然而功函差与热激发造成的层间电荷转移严重阻碍了这类能带的形成。此外，在二维平面结构中引入层间电势的困难，以及范德华间隙造成隧穿概率的降低，共同导致了范德华异质结隧穿性能不佳的结果。仿真算法上，面对密度泛函理论（DFT）结合万尼尔数学变换仅适用周期性结构这一限制，我们提出了分段提取紧束缚参数再重组矩阵建立沟道模型的方法，打通了异质沟道量子输运仿真的多尺度流程。利用流程，我们提出异质沟道非结区场效应调控策略，实现了高开关比、低亚阈值摆幅的TFET性能。我们还发现通过垂直应力在合适范围内减小范德华间隙，可以既保持各材料层独立性质又显著增强载流子层间隧穿概率。相关研究成果明晰了低维异质结电学性质特点，为实现高性能TFET设计打下理论基础。项目实施期间，发表资助SCI论文8篇，与国内外相关领域学者展开合作，促进了国内新型电子器件仿真算法的发展。项目负责人联合培养博士研究生1人，独立培养硕士研究生6人。项目理论研究完成度较高，后续拟展开更广泛的合作，进一步完善理论与实验的结合。由于近三年人员流动限制，项目剩余差旅经费较多，后续拟加强交流与合作，积极参与顶级国际会议。