二维镓基硫属化合物场效应晶体管的电子输运与光电性质研究.pdfVIP

摘要

随着新型先进电子信息器件的研发，人们对高效率、便携尺寸以及低功耗电子设备

的需求逐渐提高。然而，场效应晶体管作为基础构建模块，其小型化受到短通道效应的

严重制约。近年来，成功制备的二维层状材料具备独特的表面无悬挂键、易于调控和集

成等特点，为人们探索新奇的物理效应和研发高性能的器件提供了新平台。本文基于第

一性原理设计了二维镓基硫属化合物场效应晶体管，系统研究了其输运性质和光电特性，

主要研究内容如下：

（1）设计了亚5nm单层n型GaSe金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFETs），

分析了其相关性能，并探究了不同栅极长度和栅介质对于GaSe器件性能的影响。结果

显示：随着器件栅极长度的增加，短沟道效应被抑制，因此漏电流变小，亚阈值摆幅性

能也得到提升；较薄的电介质层能够提供较短的固有长度，从而导致器件的栅极控制能

力增强；对比研究三种栅介质（SiO，AlO，HfO），发现高k介质不仅能够导致开态

2232

电流的提高而且能够提升亚阈值摆幅，但是对于沟道长度仅有3nm的器件性能提升效

果微弱；Underlap（UL）长度增大导致器件有效长度增加，能够进一步改善器件的栅极

控制能力。通过优化栅介质的参数，可以使得3nm沟道的GaSeMOSFETs的亚阈值摆

幅值从134.8降低到62.7mV/dec（接近室温极限），开态电流从904μA/μm提高到

1766μA/μm。单层n型GaSeMOSFETs的器件参数，例如开态电流、延迟时间、功耗延

迟积以及能量延迟积均明显满足2028年国际半导体技术路线图（ITRS）提出的高性能

器件目标。

（2）系统研究了基于单层GaSe的p-n、p-p、p-i-n和p-i-p横向同质结光电探测器

在不同掺杂浓度和本征区域长度下的光电特性。结果显示：GaSe基横向同质结光电探

测器的光电流密度和光响应性能明显受掺杂浓度和本征区域长度变化的影响；对于p-n

同质结光电探测器，随着n型掺杂浓度的增加，光电流密度的起始点逐渐向低光子能量

方向移动，且光谱响应范围也呈现出逐渐变宽的趋势；对于p-p同质结光电探测器，在

一定浓度范围内，随着两端掺杂浓度差的增加，最大光电流密度逐渐提升，峰值数量和

光谱响应宽度几乎不变，而峰值的位置逐渐向低能量方向移动。另外，在3.0eV光子能

量线性偏振光照射情况下，本征区域长度为7nm的GaSe基p-i-n同质结光电探测器的

光电流密度可达到27.9nA/m。

（3）构建了单层OGaSMOSFETs并考虑了栅极结构、掺杂浓度、栅极长度以及

2

UL长度对器件性能的影响。结果显示：调整电极区域的掺杂浓度和缩放UL的长度，

可以有效拓展器件在高性能和低功耗方面的应用。在氧原子层侧施加栅压的单栅器件具

有较大漏电流，表现为关态电流难以满足ITRS2028水平的高性能标准；双栅器件和在

硫原子层侧施加栅压的单栅器件的关态电流均可以满足ITRS2028水平的低功耗标准，

但是，后者无法达到上述开态电流的标准（295μA/μm）。而通过采用最佳掺杂浓度和UL

长度相结合的方式，栅极长度为1nmOGaS器件的开态电流能够达到1000μA/μm，超

2

过了高性能应用的标准；具有2nm栅极长度的OGaSMOSFETs的开态电流约为低功耗

2

标准的2倍。

关键词：二维镓基硫属化合物，场效应晶体管，开态电流，光电流密度

ABSTRACT

Withthedevelopmentofnovelelectricinformationdevices,thedemandforhigh-efficiency,portable

sizeandl