單元素二維半導(dǎo)體材料及應(yīng)用專刊

人們預(yù)測(cè)原子單層二維材料的熱動(dòng)力學(xué)是不穩(wěn)定的，直到2004年取得的一次突破性的進(jìn)展，報(bào)道了關(guān)于石墨烯剝離的研究成果，該成果于2010年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。單元素石墨烯具有簡(jiǎn)單的化學(xué)計(jì)量和晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，從而為基礎(chǔ)物理場(chǎng)景演示以及大量功能性設(shè)備探索提供了可能。最近幾十年來(lái)，人們對(duì)石墨烯納米平臺(tái)具有前所未有的研究熱情并取得了豐碩的研究成果。近年來(lái)，單元素二維材料家族已經(jīng)迎來(lái)了包括硅烯、鍺烯、磷烯等的新成員。此外，單元素二維材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格開辟了材料科學(xué)的新領(lǐng)域，并為其提供了無(wú)限的可能性。

《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)》組織了一期“單元素二維半導(dǎo)體材料及應(yīng)用”專刊，并邀請(qǐng)了深圳大學(xué)微納光電子學(xué)研究院張晗教授、深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院蔣先濤副研究員、北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院王業(yè)亮教授、布魯塞爾自由大學(xué)應(yīng)用物理與光子學(xué)系Krassimir Panajotov教授和南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張勝利教授共同擔(dān)任特約編輯。該專刊已于2020年第8期正式出版并可在線閱讀，歡迎關(guān)注。

在本專刊中，我們匯總了來(lái)自先進(jìn)研究小組的6篇原創(chuàng)論文、3篇綜述論文和2篇評(píng)論短文，我們?yōu)槟苁盏饺绱藷崃业姆答伜椭С直硎居芍缘母兄x。本專刊介紹了單元素二維材料的最先進(jìn)的材料制備技術(shù)[Yixuan Fan等]、器件的卓越性能[Chang Li等]、基本機(jī)理探索[Carolien Castenmiller等，Qian Yang等]、理論預(yù)測(cè)[Qiang Gao等，Hengze Qu等]以及最新的研究進(jìn)展評(píng)論[Hanliu Zhao等，Xiaolin Cai等，Peiwen Yuan等]。特別地，Jingshu Zhou等報(bào)道了他們基于二維材料/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器的令人興奮的研究成果，表明了將二維材料與傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造工藝集成在一起的可能性。Mianzeng Zhong等介紹了一種新型的單元素二維半導(dǎo)體：黑砷，它類似于黑磷，并已顯示出非凡的電學(xué)性能。

我們衷心希望從事這一熱點(diǎn)領(lǐng)域的研究人員能夠從本專刊發(fā)表的論文中受益。我們也歡迎在這一領(lǐng)域工作的作者將其高影響力的論文發(fā)表在《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)》上。

綜述文章

1.

面向CMOS工藝的物理氣相沉積二維鉍

近年來(lái)，二維鉍引起了科研工作者的廣泛研究興趣，它具有奇特的電、熱、光等性質(zhì)，有望應(yīng)用于CMOS器件中。這得益于二維鉍可以通過與CMOS工藝兼容的物理氣相沉積方法制備，實(shí)現(xiàn)厚度均勻、高質(zhì)量和大面積等優(yōu)點(diǎn)。然而，當(dāng)前對(duì)于物理氣相沉積方法制備二維鉍的系統(tǒng)性綜述寥寥無(wú)幾，亟需對(duì)已有相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納、總結(jié)和展望。

東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陶立教授課題組在半導(dǎo)體學(xué)報(bào)（卓越計(jì)劃入選期刊）發(fā)表了題為“Physical vapor deposited 2D bismuth for CMOS technology（面向CMOS工藝的物理氣相沉積二維鉍）”的邀請(qǐng)綜述，對(duì)當(dāng)前二維鉍的氣相沉積制備方法及其在CMOS器件方面的最新應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)地總結(jié)。綜述梳理了制備二維鉍的不同氣相沉積方法（分子束外延法、脈沖激光沉積法、電子束蒸鍍法、磁控濺射法、熱蒸鍍法），在歸納這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)之余，還對(duì)不同方法所制備的二維鉍的晶體結(jié)構(gòu)特征與物理性能間的聯(lián)系進(jìn)行了概括。之后全面介紹了二維鉍薄膜在諸如場(chǎng)效應(yīng)晶體管、傳感器、自旋電子器件、存儲(chǔ)器等CMOS相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。最后，作者介紹了Bi-X( X = Sb, Te, Se)合金化的方法來(lái)增強(qiáng)二維鉍薄膜性能的策略。

目前對(duì)以二維鉍為代表的二維X烯材料的研究正呈蓬勃之勢(shì)，但是在許多方面仍然存在技術(shù)挑戰(zhàn)：比如，探索兼顧高質(zhì)量和低成本特點(diǎn)的制備方法、發(fā)展適合于二維X烯材料的先進(jìn)表征技術(shù)、縮小理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)值之間的差異、合理設(shè)計(jì)與調(diào)控以增強(qiáng)光電聲磁等物理性能等。本綜述對(duì)二維X烯的物理氣相沉積制備及其在CMOS器件上的實(shí)驗(yàn)研究提供有用的技術(shù)信息。

圖1. 不同生長(zhǎng)方法及速率下二維鉍的晶體結(jié)構(gòu)取向特性。

表1. 二維鉍及鉍薄膜的常見物理氣相沉積方法及工藝特點(diǎn)。

Physical vapor deposited 2D bismuth for CMOS technology

Hanliu Zhao, Xinghao Sun, Zhengrui Zhu, Wen Zhong, Dongdong Song, Weibing Lu, Li Tao

J. Semicond. 2020, 41(8): 081001

doi: 10.1088/1674-4926/41/8/081001

2.

碲烯：一種不同于塊體相的無(wú)范德瓦爾斯層狀結(jié)構(gòu)的元素單層二維材料

二維(2D)材料是具有原子厚度的片狀材料，因其電子限域效應(yīng)而具有獨(dú)特的電子、光學(xué)和機(jī)械等特性，在新一代智能電子、光電子及儲(chǔ)能器件等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。目前，人們發(fā)現(xiàn)的2D材料已達(dá)1000多種，如石墨烯、h-BN、MoS2等。其中，單質(zhì)元素組成的2D材料因組分簡(jiǎn)單且電子性能優(yōu)異最受人們關(guān)注。截止2016年，人們已經(jīng)把單質(zhì)2D材料家族擴(kuò)展至IIIA、IVA、VA族的大部分非金屬元素。那么，VIA族元素是否存在穩(wěn)定的2D單層結(jié)構(gòu)，這是十分有意義且極具挑戰(zhàn)的問題。

圖1. 2D單元素材料實(shí)驗(yàn)或理論（Th.）發(fā)現(xiàn)的時(shí)間線及碲的塊體和2D結(jié)構(gòu)。

鄭州大學(xué)賈瑜教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張振宇教授等合作應(yīng)用結(jié)構(gòu)搜索程序與密度泛函理論相結(jié)合的方法在理論上預(yù)言了VIA族Te元素可能形成三種穩(wěn)定2D結(jié)構(gòu)即碲烯，分別稱為α-, β-, g-Te。該項(xiàng)研究首次把2D單質(zhì)材料擴(kuò)展至VIA族元素，其成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。上述關(guān)于VIA族單層碲烯的工作引起了廣泛關(guān)注，推進(jìn)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)制備、性能研究和應(yīng)用探索。美國(guó)斯坦福大學(xué)Reed教授在Nature雜志News & Views專欄對(duì)該研究成果進(jìn)行了亮點(diǎn)報(bào)道，認(rèn)為二維碲材料的研究是一個(gè)有趣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明理論計(jì)算在解決材料科學(xué)重大問題上至關(guān)重要的作用，因?yàn)轫谙┑捏w相由一維螺旋鏈組成，不存在可以機(jī)械剝離的層狀結(jié)構(gòu)。

本文由鄭州大學(xué)賈瑜教授團(tuán)隊(duì)的蔡小琳博士、韓曉雨博士等對(duì)碲烯發(fā)現(xiàn)之后的相關(guān)理論研究、實(shí)驗(yàn)制備及性能研究進(jìn)行了綜述，希望能夠激發(fā)對(duì)碲烯更深入更廣闊的探索，其內(nèi)容主要分為三部分。

首先，更多碲烯結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)制備。在最初發(fā)現(xiàn)的三種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，人們進(jìn)一步在理論上找到了其他亞穩(wěn)態(tài)的單層和少層的碲烯結(jié)構(gòu)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)科學(xué)家們也對(duì)碲烯的實(shí)驗(yàn)合成進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)無(wú)襯底的溶液法（或稱水熱法）、分子束外延法、氣相沉積法等都可以成功制備納米厚度的碲烯。

其次，本征碲烯的性能研究。碲烯與石墨烯相比有帶隙，與磷烯相比空氣穩(wěn)定性非常好，與2D MoS2相比具有高載流子遷移率，這些優(yōu)異的基本特性引發(fā)了人們對(duì)碲烯的其他性能和應(yīng)用的探索。他們發(fā)現(xiàn)碲烯具有優(yōu)異的力學(xué)和熱電特性、較強(qiáng)的鐵電性、壓電效應(yīng)、量子霍爾效應(yīng)、顯著的非線性光學(xué)等特性。

第三，碲烯的性能調(diào)控。采用應(yīng)力、缺陷、邊界和異質(zhì)結(jié)等方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)碲烯的性能調(diào)控。

未來(lái)，仍需在以下方面加強(qiáng)研究：1. 理論設(shè)計(jì)更多的碲烯結(jié)構(gòu)并探索其優(yōu)異特性；2.研究實(shí)驗(yàn)上已成功制備的碲烯相的功能化；3.制備高質(zhì)量、大尺寸且能批量生產(chǎn)的單層碲烯。

Tellurene: an elemental 2D monolayer material beyond its bulk phases without van der Waals layered structures

Xiaolin Cai, Xiaoyu Han, Chunxiang Zhao, Chunyao Niu, Yu Jia

J. Semicond. 2020, 41(8): 081002

doi: 10.1088/1674-4926/41/8/081002

3.

第五主族單元素二維材料的最新進(jìn)展——從制備到性質(zhì)

隨著單層石墨烯的高遷移率等獨(dú)特性質(zhì)被報(bào)道，新型二維材料一直是人們研究的焦點(diǎn)，然而由于石墨烯的較小的帶隙限制了它在高端電子納米器件中的應(yīng)用。不同于窄帶隙材料，第五主族單元素二維材料具有顯著的帶隙，具有獨(dú)特的電輸運(yùn)性質(zhì)，使它們成為低能耗的超薄半導(dǎo)體器件和無(wú)損耗電子器件應(yīng)用的理想材料；甚至有些第五主族單層二維材料具有拓?fù)浞瞧接沟男再|(zhì)，在下一代低功耗新型器件中具有巨大的應(yīng)用潛力。

北京理工大學(xué)劉立巍副教授(王業(yè)亮教授課題組)等發(fā)表綜述《第五主族單元素二維材料的最新進(jìn)展——從制備到性質(zhì)》，該綜述總結(jié)了第五族單元素二維材料（磷烯，砷烯，銻烯和鉍烯）的最新進(jìn)展，特別是第五族單層二維材料的制備及其基本性能和潛在應(yīng)用。例如對(duì)于銻烯的研究，2017年武旭等人在PdTe2基底上利用分子束外延的方法成功制備出高質(zhì)量的銻烯單層，并證明了制備出的單層銻烯的環(huán)境穩(wěn)定性(如圖1)；2018年邵巖等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將銻原子沉積到保持在353 K相對(duì)較低溫度的Ag(111)襯底上時(shí)，在襯底上會(huì)形成結(jié)構(gòu)良好的銻烯單層，該單層具有面內(nèi)平整的蜂窩狀晶格(如圖2)。

圖1. 單層銻烯的制備示意圖及性質(zhì)。

圖2. 面內(nèi)平整銻烯的結(jié)構(gòu)、制備及性質(zhì)。

關(guān)于單元素五族二維材料的工作中仍然存在一些挑戰(zhàn)：（1）到目前為止，尚無(wú)實(shí)驗(yàn)報(bào)道寬帶隙的單層砷烯；（2）通過MBE在金屬基底上外延生長(zhǎng)的銻烯單層還沒有從金屬基底上隔離出來(lái)；（3）在銻烯和鉍烯中，實(shí)驗(yàn)報(bào)道了有趣拓?fù)涮匦裕牵匀蝗狈诘谖逯髯鍐卧訉油負(fù)涮匦云骷膱?bào)道。作者希望這篇綜述激發(fā)關(guān)于第五主族單元素二維材料的更多嘗試和實(shí)驗(yàn)突破。

Recent progress in 2D group-V elemental monolayers: fabrications and properties

Peiwen Yuan, Teng Zhang, Jiatao Sun, Liwei Liu, Yugui Yao, Yeliang Wang

J. Semicond. 2020, 41(8): 081003

doi: 10.1088/1674-4926/41/8/081003

研究論文

1.

液態(tài)銅上碳化鉬金字塔結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)

碳化鉬作為一種新型的二維原子晶體，近年來(lái)因其優(yōu)異的性能引起了研究者的廣泛關(guān)注。然而，目前常用的化學(xué)氣相沉積方法制備碳化鉬過程仍然存在一定的問題亟需解決。首先，該方法一般遵循二維表面成核生長(zhǎng)機(jī)理，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的原位合成；其次，碳化鉬結(jié)構(gòu)形成機(jī)理尚未完全清楚，相關(guān)動(dòng)力學(xué)過程仍未明確。

基于上述背景，天津大學(xué)理學(xué)院分子光電科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡文平團(tuán)隊(duì)耿德超教授課題組報(bào)道了一種新型碳化鉬結(jié)構(gòu)的可控制備。他們采用化學(xué)氣相沉積方法為制備手段，以獨(dú)特的液態(tài)銅金屬作為催化劑，通過引入過量碳原子制備了碳化鉬金字塔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的形成遵循經(jīng)典晶體成核生長(zhǎng)理論，通過自內(nèi)而外的水平擴(kuò)散模式得到。

碳化鉬金字塔結(jié)構(gòu)的可控合成進(jìn)一步顯示了液態(tài)銅催化劑在大面積高質(zhì)量二維晶體制備上獨(dú)特的普適性優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該新型結(jié)構(gòu)也為二維晶體在催化及超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了良好的體系選擇。

圖1. 液態(tài)銅上碳化鉬金字塔結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)過程示意圖。

圖2. 兩種典型的碳化鉬層狀金字塔結(jié)構(gòu)的AFM圖。

Controlled growth of Mo2C pyramids on liquid Cu surface

Yixuan Fan, Le Huang, Dechao Geng, Wenping Hu

J. Semicond. 2020, 41(8): 082001

doi:10.1088/1674-4926/41/8/082001

2.

基于黑磷/β-氧化鎵異質(zhì)結(jié)的高性能結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電子器件，無(wú)需考慮氧化物介質(zhì)層對(duì)其性能和穩(wěn)定性的影響，在邏輯開關(guān)、放大器等集成電路領(lǐng)域具有不可替代的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，隨著石墨烯、過渡金屬硫族化合物、黑磷等二維材料的出現(xiàn)，基于二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件取得重要的進(jìn)展。然而，受限于不同材料的固有性質(zhì)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的性能仍有很大的提升空間。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張凱研究員課題組報(bào)道了一種基于黑磷/β-氧化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高性能結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件。作者通過傳統(tǒng)的機(jī)械剝離法從黑磷和β-氧化鎵晶體中分別得到兩者的原子層厚度納米片，并利用聚二甲基硅氧烷輔助的干法轉(zhuǎn)移成功制備黑磷/β-氧化鎵垂直范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)。非故意摻雜的p型黑磷和n型β-氧化鎵所構(gòu)筑的異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出優(yōu)異的整流特性(整流比大于107，反向電流小于30 pA)。同時(shí)，以黑磷作柵極而β-氧化鎵作溝道材料所制備的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件具有優(yōu)異的電學(xué)性能，源漏電流開關(guān)比高達(dá)107，柵極漏電流低至pA，最大跨導(dǎo)值為25.3 μS，漏極飽和電流為16.5 μA/μm，綜合性能得到顯著提升。

這項(xiàng)工作為制備基于二維材料的高性能結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件提供了新途徑，也進(jìn)一步拓展了黑磷等二維材料在下一代納米電子器件中的應(yīng)用。

圖1. BP/β-Ga2O3JFET器件結(jié)構(gòu)及性能表征。

High-performance junction field-effect transistor based on black phosphorus/β-Ga2O3heterostructure

Chang Li, Cheng Chen, Jie Chen, Tao He, Hongwei Li, Zeyuan Yang, Liu Xie, Zhongchang Wang, Kai Zhang

J. Semicond. 2020, 41(8): 082002

doi: 10.1088/1674-4926/41/8/082002

3.

鍺烯掃描隧道顯微鏡光譜中沒有自旋軌道間隙的奧秘

鍺烯（石墨烯的鍺類似物）與石墨烯具有許多相同的特性，兩種材料都是具有狄拉克費(fèi)米子的二維材料。但是，這兩種材料之間還存在一些重要區(qū)別：（1）石墨烯具有平面蜂窩狀晶格，而鍺烯的蜂窩狀晶格是彎曲的，（2）鍺烯中的自旋軌道間隙預(yù)計(jì)要比石墨烯的大了約3個(gè)數(shù)量級(jí)（鍺烯為24 meV，石墨烯為20 μeV）。出人意料的是，不同襯底上合成的鍺烯層的掃描隧道光譜沒有顯示自旋軌道間隙存在的任何跡象，迄今為止這個(gè)現(xiàn)象仍然是個(gè)謎。

在本文中，荷蘭特溫特大學(xué)Harold J. W. Zandvliet教授等表明了自旋軌道間隙的缺失可以用鍺烯極低的僅3.8 eV的功函數(shù)來(lái)解釋。鍺烯和掃描隧道顯微鏡尖端（最常用的STM尖端的功函數(shù)在4.5-5.5 eV范圍內(nèi)）之間功函數(shù)的差異導(dǎo)致隧道結(jié)中產(chǎn)生電場(chǎng)。該電場(chǎng)對(duì)自旋軌道間隙的大小有很強(qiáng)的抑制作用。

圖1. 鍺烯的彎曲蜂窩狀晶格。

On the mystery of the absence of a spin-orbit gap in scanning tunneling microscopy spectra of germanene

Carolien Castenmiller, Harold J. W. Zandvliet J. Semicond. 2020, 41(8): 082003 doi:10.1088/1674-4926/41/8/082003

4.

單層二硒化鉬的光摻雜效應(yīng)及其動(dòng)力學(xué)過程

光摻雜效應(yīng)在過渡金屬硫族化合物材料中已經(jīng)被廣泛的研究，它描述的是在光誘導(dǎo)下位于材料表面或環(huán)境中的電子摻雜到材料中。光摻雜相較于其他半導(dǎo)體摻雜方法不需要掩膜、光刻、離子注入等復(fù)雜的工藝流程，激光照射使得材料中的載流子濃度上升。單層二硒化鉬的光摻雜效應(yīng)表現(xiàn)為，低溫真空環(huán)境下，激發(fā)功率保持不變而中性激子發(fā)光峰強(qiáng)度隨時(shí)間下降。

在本文中，中科院半導(dǎo)體研究所孫寶權(quán)研究員等研究了不同激發(fā)功率下單層二硒化鉬中性激子發(fā)光峰的時(shí)域光譜測(cè)試，發(fā)現(xiàn)激子峰強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減過程可以利用冪指數(shù)進(jìn)行擬合，計(jì)算得出在0.5-100μW激發(fā)功率范圍內(nèi)激子峰的平均衰減時(shí)間是27.65 s。利用此效應(yīng)可以局域性的制備pn結(jié)，增強(qiáng)材料的光電性質(zhì)，制備光存儲(chǔ)器件等。

Photo-induced doping effect and dynamic process in monolayer MoSe2

Qian Yang, Yongzhou Xue, Hao Chen, Xiuming Dou, Baoquan Sun

J. Semicond. 2020, 41(8): 082004

doi:10.1088/1674-4926/41/8/082004

5.

新型二維碳同素異形體C568能帶結(jié)構(gòu)的應(yīng)變調(diào)控

近年來(lái)，單元素二維原子晶體材料的研究吸引了人們的注意。石墨烯作為最早發(fā)現(xiàn)的單元素二維原子晶體材料具有超高的載流子遷移率和完美的機(jī)械強(qiáng)度曾一度被認(rèn)為是構(gòu)筑新一代納電子器件的重要材料。但是無(wú)帶隙的特點(diǎn)阻礙了其在光電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。隨后，硅烯(單層二維硅，IV族烯)，鍺烯(單層二維鍺，IV族烯)，錫烯(單層二維錫，IV族烯），磷烯(單層二維磷，V族烯)，碲烯(單層二維碲，VI族烯)，等二維單元素二維原子晶體材料相繼被發(fā)現(xiàn)。只有磷烯和碲烯等少數(shù)單元素二維材料具有可觀的帶隙有望應(yīng)用于光電子領(lǐng)域。然而它們本征的不穩(wěn)定性以及毒性為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了困難。不久前，Babu Ram等人通過理論計(jì)算預(yù)測(cè)了一種由C-5，-6和-8元環(huán)構(gòu)成具有sp2-sp3雜化的新型二維碳同素異形體（C568)。研究發(fā)現(xiàn)C568是帶隙為1.13 eV的間接帶隙半導(dǎo)體材料，具有很高的載流子遷移率(~104 cm2V-1s-1)，超過了黑磷。而且C568有很高的穩(wěn)定性，超過了T-石墨烯和五角石墨烯。

近日，北京計(jì)算科學(xué)研究中心康俊教授課題組利用第一性原理計(jì)算研究了C568的電子結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性質(zhì)對(duì)單/雙軸應(yīng)變的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于單/雙軸應(yīng)變，拉伸應(yīng)變都能有效減小帶隙，然而壓縮應(yīng)變對(duì)帶隙有不同的影響。增加單軸壓縮應(yīng)變C568的帶隙先增大然后減小，增加雙軸壓縮應(yīng)變能使帶隙增加。而且單/雙軸壓縮應(yīng)變都能實(shí)現(xiàn)間接到直接帶隙地轉(zhuǎn)變。另外計(jì)算結(jié)果還表明單軸應(yīng)變能誘導(dǎo)較為明顯的光學(xué)各向異性，這是雙軸應(yīng)變不能實(shí)現(xiàn)的。

這些結(jié)果揭示了外加應(yīng)變可以有效地調(diào)控C568的光電性質(zhì)，為C568在納米器件的應(yīng)用提供了條件。

圖1.C568的晶體結(jié)構(gòu)和電荷密度分布，以及帶隙對(duì)單軸和雙軸應(yīng)變的響應(yīng)。

Strain tunable band structure of a new 2D carbon allotropeC568

Qiang Gao, Hasan Sahin, Jun Kang

J. Semicond. 2020, 41(8): 082005

doi: 10.1088/1674-4926/41/8/082005

6.

高性能α相砷烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的第一性原理研究

隨著半導(dǎo)體器件的尺寸微縮至10 nm以下，傳統(tǒng)的硅基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能將受到短溝道效應(yīng)的嚴(yán)重影響。二維材料由于其具有原子級(jí)厚度和光滑平整的表面，可以極大地提高晶體管的柵控能力和載流子的傳輸能力，為后摩爾時(shí)代晶體管的進(jìn)一步微型化提供了新的契機(jī)。如今，二維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管已經(jīng)取得顯著的研究進(jìn)展，但是器件性能并不能完全令人滿意。例如，石墨烯雖然具有極高的遷移率和開態(tài)電流，然而其零帶隙的特點(diǎn)導(dǎo)致晶體管的開關(guān)性能很差；二硫化鉬晶體管雖然表現(xiàn)出優(yōu)異的開關(guān)特性，但是較低的開態(tài)電流難以滿足高性能器件應(yīng)用。最近，已經(jīng)被合成出來(lái)的第五主族單元素二維材料砷烯由于優(yōu)異的電子性質(zhì)，如面內(nèi)各向異性和高載流子遷移率，吸引了研究人員的廣泛關(guān)注，特別是在電子器件應(yīng)用上展現(xiàn)出很大的潛力。

鑒于此，南京理工大學(xué)曾海波課題組張勝利教授通過密度泛函理論結(jié)合非平衡格林函數(shù)研究了在亞10 nm尺度下第五主族α相砷烯雙柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件性能，并分析了砷烯各向異性的電子性質(zhì)和其彈道量子輸運(yùn)特性之間的內(nèi)在物理關(guān)聯(lián)。當(dāng)溝道長(zhǎng)度為10 nm時(shí)，砷烯晶體管均可滿足高性能電子器件的需求。特別的是，沿之字形作為傳輸方向時(shí)，較大的載流子有效質(zhì)量可以有效抑制源-漏隧穿，使得砷烯晶體管具有更好的開關(guān)特性，其溝道長(zhǎng)度極限可以達(dá)到7 nm。另外，通過對(duì)32位算術(shù)邏輯單元電路的基準(zhǔn)測(cè)試顯示出10 nm砷烯晶體管可以與CMOS技術(shù)和其他CMOS替代者相媲美。該工作表明砷烯在亞10 nm節(jié)點(diǎn)的高性能電子器件中有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖1.（a）沿扶手椅和（c）之字形方向的雙柵砷烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的示意圖；溝道長(zhǎng)度為3-10 nm時(shí)，沿（b）扶手椅和（d）之字形方向的砷烯n和p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的傳輸特性曲線。