最近，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、量子物质科学协同创新中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室吕劲研究员课题组采用原子级无参数的第一性原理量子输运模拟，精确评估环栅超细砷化铟（InAs）纳米线晶体管（NWFET）的性能，并预测出直径小于2纳米的环栅InAs NWFET的NMOS、PMOS的性能差距将显著缩小甚至消失，显示出优异的对称性。2023年2月26日，相关研究成果以“对称且优异的n型和p型环栅超细InAs纳米线晶体管缩放行为”（Symmetric and excellent scaling behavior in ultrathin n- and p-type gate-all-around InAs nanowire transistors）为题，在线发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路由于其低静态功耗、高抗噪性和高输出电压摆幅成为芯片的关键。缩小场效应晶体管（FET）的尺寸是推动CMOS集成电路向前发展的驱动力。由于短沟道效应的出现，实验中最先进的硅FET正接近其物理极限。高电子迁移率（μe）的III-V族化合物被认为是n型FET中硅沟道材料的继任者。其中InAs因其极高的μe（比硅高30倍）在III-V族半导体中脱颖而出。然而，块材InAs的电子/空穴迁移率之比高达80，在直径约为30 nm的InAs NW器件中，电子/空穴场效应迁移率之比也大于70。NMOS、PMOS之间如此大的差距使得制造出性能优异的InAs NW同质CMOS电路变得困难。我们知道，直径减小会增强量子限制效应，并且可能显著地改变InAs NW的电子结构，从而影响其晶体管的性能。因此，n、p型环栅 InAs NWFET的非对称性是否会因为超小尺寸中增强的量子限制效应而减弱是值得探索的。
图1（a-e）直径为0.8、1.2、1.6、2.3和3.1 nm的纤锌矿相（WZ）InAs NWs（f）WZ和闪锌矿（ZB）相的体材InAs的结构及相应的能带结构，并将能带结构投射到px、py和pz轨道上。
因此，北京大学物理学院吕劲课题组首次通过第一性原理量子输运模拟研究了亚2纳米直径下，n型和p型环栅InAs NWFET的栅极长度（Lg）缩放行为。在环栅 InAs NWFET中，原本存在于体材InAs中n、p型FET的巨大不对称性得以显著减小甚至消除。这是因为当直径小于3 nm时，轻空穴带反转到重空穴带之上（图1），并且随着直径的减小，量子限制效应逐渐增强，最终实现了p型器件性能的显著提高。通过模拟直径为1.2 nm的InAs NW的反相器，该课题组验证了采用单材料体系制备CMOS的可能性（图2）。此外，在应变工程的帮助下，可以通过减小有效质量和能隙来进一步提高开态电流（Ion）。
图2 （a ~ c）n、p型1.2-nm直径InAs 环栅 NWFET的性能参数。（d）组成同质InAs NW反相器的电压转移特性。
此外，当栅极长度缩短到2 nm时，优化后的n、p型sub-2-nm直径InAs 环栅 NWFET在Ion、延迟时间（τ）、功耗（PDP）和能量延迟积（EDP）等方面均可满足ITRS标准的要求。因此，超小尺寸的环栅InAs NWFET有望成为下一代纳米电子器件。此外，该课题组也讨论了文中所提出的环栅 InAs NWFET的可行性，并为未来的实验提供了可能的工艺流程和应变源。
北京大学物理学院2020级博士研究生李秋卉、北京大学前沿交叉学科研究院2022级毕业生杨晨、香港大学研究助理教授徐琳为论文共同第一作者；北京大学物理学院吕劲研究员和北京大学集成电路学院唐克超研究员为论文共同通讯作者。
上述工作得到国家自然科学基金、中国科学技术部、量子物质科学协同创新中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室、磁电功能材料与器件北京市重点实验室、纳米器件物理与化学教育部重点实验室、中央高校基本研究项目和北京大学高性能计算平台等支持。
论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202214653
