FUTURE | 远见 闵青云 选编
近期，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校Arnab Pal，Kaustav Banerjee等在Nature Electronics期刊上发表了题为「Three-dimensional transistors with two-dimensional semiconductors for future CMOS scaling」的最新论文。科学家们提出了基于二维材料的三维栅极环绕（GAA）晶体管架构，包括纳米片场效应晶体管（NSFET）与纳米叉场效应晶体管（NFFET），并引入了二维纳米板场效应晶体管（NPFET）的概念。
研究背景
二维过渡金属硫化物（2D TMDs）是具有原子级薄度的半导体材料，因其优异的电学性能和出色的电场控制能力，成为了后硅时代互补金属氧化物半导体（CMOS）场效应晶体管的研究热点。然而，传统硅基器件在亚15 nm通道长度下面临性能退化与加工难题，特别是在器件的开启电流（ION）与关断电流（IOFF）比值降低、表面粗糙度散射增强等方面存在挑战。此外，硅材料在通道厚度缩减至3 nm以下时，载流子迁移率显著下降，进一步制约了器件的可扩展性和性能提升。
有鉴于此，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校Arnab Pal，Kaustav Banerjee等提出了基于二维材料的三维栅极环绕（GAA）晶体管架构，包括纳米片场效应晶体管（NSFET）与纳米叉场效应晶体管（NFFET），并引入了二维纳米板场效应晶体管（NPFET）的概念。这些器件通过量子输运模拟与密度泛函理论（DFT）计算相结合，全面分析了二维TMD材料的器件性能和可扩展性。
研究结果表明，三层硫化钨（WS₂）作为通道材料可显著提升器件的能量-延迟积（EDP），与硅基器件相比提升超过55%，实现了能效与性能的优化。此外，基于二维TMD的NPFET器件在相同的面积占用下，集成密度与驱动电流均较硅基三维器件提升了近十倍。
研究亮点
实验首次提出2D NXFET设计框架，得到了2D半导体在三维（3D）晶体管架构中的优异性能。
研究通过非平衡格林函数（NEGF）量子输运模拟，结合密度泛函理论（DFT）提供的材料输入，分析了非理想肖特基接触和电容效应，评估了不同3D晶体管（2D半导体与硅基）及其沟道厚度的性能。
实验通过比较不同器件架构和材料，得出以下结果：
1. 三层二硫化钨（WS₂）是最有前景的材料，在低待机功耗（LSTP）和高性能（HP）应用中，其能量-延迟乘积（EDP）比硅基晶体管提高了超过55%，表明2D半导体能够推动CMOS技术向几纳米尺度扩展。
2. 研究进一步提出了2D纳米板晶体管（NPFET）架构，通过独特的2D材料特性，将器件集成密度和驱动电流提升至硅基和其他2D-3D晶体管的近10倍。
3. 实验展示了2D半导体的关键优势：
2D材料在超薄（小于3 nm）沟道厚度下具有较高的载流子迁移率，且受表面粗糙散射的影响极小，显著提升了器件性能。
相比传统硅基器件，2D NXFET在亚10 nm沟道长度下表现出更好的静电控制，抑制源漏隧穿泄漏电流，提高了ON-OFF电流比。
图文解读
图1 | 基于2D材料的NXFET器件架构。
图2 | 最佳2D NXFET沟道材料。
图3 | 通道长度缩放以及模拟和数字性能比较。
图4 | 单层和多层纳米片结构优化。
图5 | 纳米叉晶体管性能比较和功耗延时积energy–delay product，EDP预测。
图6 | 2D NPFET结构。
总结展望
本文通过第一性原理模拟，探讨了二维半导体在三维晶体管架构设计中的独特应用，评估了其在次5 nm通道长度下，低待机功耗（LSTP）和高性能（HP）CMOS器件中的潜力。电容和输运模拟结果表明，三层WS₂是最具前景的硅后续通道材料，能够推动CMOS技术缩放至次5 nm通道长度。即使在非理想接触条件下，WS₂的能量–延迟积（EDP）仍实现了超过50%的性能提升，相较于硅基器件表现出显著优势。此外，作者提出了一种新型的纳米板3D器件架构，这一架构通过二维材料的工程设计得以实现，在次5 nm通道长度下，其驱动电流可比传统纳米片器件提高近十倍。
原文详情：
Pal, A., Chavan, T., Jabbour, J. et al. Three-dimensional transistors with two-dimensional semiconductors for future CMOS scaling. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01289-8
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