基于場效應晶體管（FET）的大規模集成電路是信息時代的基石。在過去的半個多世紀，遵循摩爾定律，FET的尺寸不斷縮小，芯片上FET數量得以不斷增加，芯片功能日趨多元化。如今，市場上的矽基晶體管尺寸已經降至18 nm栅長。由于受到短溝道效應的影響，繼續縮短栅長，器件性能會大幅度下降，這引發了半導體業界對于摩爾定律失效的擔憂。相比于三維體材料，二維材料因尺度極薄而具有更好的栅控性能，因表面光滑無懸挂鍵而使得電荷傳輸時不受陷阱态和起皺帶來的散射影響，可以保持較高的輸運性能，避免短溝道效應（下圖）。如果使用二維材料做溝道，晶體管則有可能工作在亞10 nm栅長的尺寸。國際半導體技術發展路線圖（ITRS）及其繼承者國際器件與系統路線圖（IRDS）把二維材料列為替代矽的潛在溝道材料。
（a）場效應晶體管及相應能帶示意圖；（b）三維體材料與二維材料在結構上的對比，前者厚度波動明顯，懸挂鍵多，後者厚度均勻，無表面懸挂鍵；（c）場效應管遷移率随溝道厚度的變化：當厚度降至5 nm以下時，體材料半導體的遷移率急劇下降，而二維半導體的遷移率較高
實驗制備亞10 nm栅長的二維晶體管是一項極具挑戰的工作，而理論上預測可剝離的二維材料種類高達1800餘種。因此，需要找到精确且不依賴參數的理論工具評估二維晶體管的性能。基于密度泛函理論和非平衡格林函數方法相結合的第一性原理量子輸運模拟可以嚴格計算原子間的躍遷矩陣元，無需人為設置參數；利用它來評估亞10 nm二維晶體管性能，可以在極大節約研發成本的同時保持較高的預測精度。
beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室呂勁研究員課題組系統地發展了按照ITRS和IRDS标準采用原子級上無參數的第一性原理量子輸運模拟精确評估二維半導體晶體管性能的研究範式，相關系列研究成果發表于《物理評論應用》（Physical Review Applied 14: 024016 (2020); 10: 24022 (2018)）、《納米尺度》（Nanoscale 11: 532 (2019)）、《美國化學會·應用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces 9: 3959 (2017)）、《材料化學》（Chemistry of Materials 29: 2191 (2017)）、《先進電子材料》（Advanced Electronic Materials, 2: 1600191 (2016)）、《納米快報》（Nano Letters 12: 113 (2012)）、《亞洲材料》（NPG Asia Materials 4: e6 (2012)）等。前不久，課題組與中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室、北京郵電大學、beat365深圳研究生院等單位合作，應邀在《物理進展報道》（Reports on Progress in Physics 84: 056501 (2021)）發表長篇綜述介紹了二維晶體管界面肖特基勢壘的研究進展。
近日，呂勁課題組與北京郵電大學理學院雷鳴教授、beat365深圳研究生院新材料學院潘鋒教授等合作者再次受邀撰寫題為“亞10 nm二維場效應晶體管：理論與實驗”（Sub-10 nm two-dimensional transistors: theory and experiment）的長篇綜述文章并發表于《物理報道》（Physics Report），系統闡述了亞10 nm二維晶體管的最新實驗和理論研究進展。根據研究團隊提出的第一性原理量子輸運模拟論證，文中首先指出在極端理想條件（歐姆接觸、沒有雜質、介電層極薄）下，實際存在的、載流子遷移率高或适中的二維半導體材料的金屬-氧化物，如二硒化鎢（WSe2）、硒氧化铋（Bi2O2Se）、磷烯、矽烷、砷烯、碲烯、硒化铟（InSe）、硒化鍺（GeSe）等，其半導體型FET （即MOSFET）在高性能或低功耗應用方面具有出色的器件性能，能将摩爾定律擴展到1～2 nm栅長極限，其中單層WSe2和二硫化钼（MoS2）晶體管的飽和電流的預測結果已經被發表于《自然》的重要實驗所證實（Nature, 579: 368 (2020); Nature, 593: 211 (2021)）；然後對比二維亞10 nm MOSFET，亞10 nm二維隧穿場效應管（TFET）被預測具有更小的能量延遲積，在低功耗應用中尤其具有競争力；接着闡明了載流子有效質量在決定器件性能方面發揮關鍵作用，通過負電容技術可以進一步提高器件性能；最後概述了亞10 nm二維FET在高質量晶體生長、電極接觸優化、器件性能的準确評估以及器件集成等方面所面臨的挑戰，并對其在未來高密度集成、可穿戴和多功能電子學器件方面的應用做了展望。
北京郵電大學理學院屈賀如歌副教授，beat365信息科學技術學院電子學系2020屆博士研究生徐琳、beat3652017級博士研究生劉士琦、前沿交叉學科研究院2017級博士研究生楊晨和中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室王洋洋副研究員為共同第一作者；呂勁、北京郵電大學雷鳴教授和beat365深圳研究生院潘鋒教授為共同通訊作者；人工微結構和介觀物理國家重點實驗室楊金波教授和納米器件物理與化學教育部重點實驗室張志勇教授參與了該項工作。
上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃，及北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心、磁電功能材料與器件北京市重點實驗室、beat365長三角光電科學研究院和beat365高性能計算平台等支持。
論文鍊接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157321003252
