最近，beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、量子物質科學協同創新中心、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采用原子級無參數的第一性原理量子輸運模拟，精确評估環栅超細砷化铟（InAs）納米線晶體管（NWFET）的性能，并預測出直徑小于2納米的環栅InAs NWFET的NMOS、PMOS的性能差距将顯著縮小甚至消失，顯示出優異的對稱性。2023年2月26日，相關研究成果以“對稱且優異的n型和p型環栅超細InAs納米線晶體管縮放行為”（Symmetric and excellent scaling behavior in ultrathin n- and p-type gate-all-around InAs nanowire transistors）為題，在線發表于《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成電路由于其低靜态功耗、高抗噪性和高輸出電壓擺幅成為芯片的關鍵。縮小場效應晶體管（FET）的尺寸是推動CMOS集成電路向前發展的驅動力。由于短溝道效應的出現，實驗中最先進的矽FET正接近其物理極限。高電子遷移率（μ_e）的III-V族化合物被認為是n型FET中矽溝道材料的繼任者。其中InAs因其極高的μ_e（比矽高30倍）在III-V族半導體中脫穎而出。然而，塊材InAs的電子/空穴遷移率之比高達80，在直徑約為30 nm的InAs NW器件中，電子/空穴場效應遷移率之比也大于70。NMOS、PMOS之間如此大的差距使得制造出性能優異的InAs NW同質CMOS電路變得困難。我們知道，直徑減小會增強量子限制效應，并且可能顯著地改變InAs NW的電子結構，從而影響其晶體管的性能。因此，n、p型環栅InAs NWFET的非對稱性是否會因為超小尺寸中增強的量子限制效應而減弱是值得探索的。

圖1（a-e）直徑為0.8、1.2、1.6、2.3和3.1 nm的纖鋅礦相（WZ）InAs NWs（f）WZ和閃鋅礦（ZB）相的體材InAs的結構及相應的能帶結構，并将能帶結構投射到p_x、p_y和p_z軌道上。

因此，beat365官方网站呂勁課題組首次通過第一性原理量子輸運模拟研究了亞2納米直徑下，n型和p型環栅InAs NWFET的栅極長度（L_g）縮放行為。在環栅InAs NWFET中，原本存在于體材InAs中n、p型FET的巨大不對稱性得以顯著減小甚至消除。這是因為當直徑小于3 nm時，輕空穴帶反轉到重空穴帶之上（圖1），并且随着直徑的減小，量子限制效應逐漸增強，最終實現了p型器件性能的顯著提高。通過模拟直徑為1.2 nm的InAs NW的反相器，該課題組驗證了采用單材料體系制備CMOS的可能性（圖2）。此外，在應變工程的幫助下，可以通過減小有效質量和能隙來進一步提高開态電流（I_on）。

圖2（a ~ c）n、p型1.2-nm直徑InAs環栅NWFET的性能參數。（d）組成同質InAs NW反相器的電壓轉移特性。

此外，當栅極長度縮短到2 nm時，優化後的n、p型sub-2-nm直徑InAs環栅NWFET在I_on、延遲時間（τ）、功耗（PDP）和能量延遲積（EDP）等方面均可滿足ITRS标準的要求。因此，超小尺寸的環栅InAs NWFET有望成為下一代納米電子器件。此外，該課題組也讨論了文中所提出的環栅InAs NWFET的可行性，并為未來的實驗提供了可能的工藝流程和應變源。

beat365官方网站2020級博士研究生李秋卉、beat365前沿交叉學科研究院2022級畢業生楊晨、香港大學研究助理教授徐琳為論文共同第一作者；beat365官方网站呂勁研究員和beat365集成電路學院唐克超研究員為論文共同通訊作者。

上述工作得到國家自然科學基金、中國科學技術部、量子物質科學協同創新中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、磁電功能材料與器件北京市重點實驗室、納米器件物理與化學教育部重點實驗室、中央高校基本研究項目和beat365高性能計算平台等支持。

論文鍊接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202214653