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电动汽车驱动
★ 5.0
高性能二维AsS空穴型晶体管中亚热载流子输运的理论研究
Theoretical Study of High-Performance Two-Dimensional AsS P-Type Transistors Featuring Subthermionic Transport
| 作者 | Weicong Sun · Hengze Qu · Chuyao Chen · Xi Yu · Jingwen Cui · Yichen Fu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年7月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 二维材料晶体管 二维AsS p型MOSFET 导通电流 亚阈值摆幅 |
语言:
中文摘要
二维材料晶体管在下一代高速、低功耗互补金属氧化物半导体（CMOS）集成方面展现出巨大潜力。然而，与n型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）相比，p型MOSFET的导通态电流较小，功耗较高。在这项工作中，我们结合第一性原理计算和非平衡格林函数（NEGF）方法，研究了二维硫化砷（2 - D AsS）的电子性质和量子输运特性。二维AsS具有1.27 eV的直接带隙，空穴有效质量较小（x方向为$0.46m_0$，y方向为$0.15m_0$）。对于沟道长度在8至10 nm范围内的二维AsS p - MOSFET，其导通态电流（$I_{on}$）超过$3000\ \mu$A/$\mu$m，饱和电流（$I_{sat}$）接近$10^4\ \mu$A/$\mu$m。值得注意的是，二维AsS在价带边缘存在本征空态（$\Delta E_{es}$）。由于这一独特的电子性质，二维AsS p - MOSFET能够突破玻尔兹曼极限，实现30 - 50 mV/十倍频的亚阈值摆幅（SS）。这些特性使二维AsS MOSFET成为高性能（HP）、低功耗p型器件应用的极具潜力的候选者。
English Abstract
Two-dimensional material transistors show great promise for the next-generation high-speed, low-power CMOS integration. However, compared to n-type MOSFETs, p-type MOSFETs exhibit smaller on-state currents and higher power consumption. In this work, we investigate the electronic properties and quantum transport characteristics of 2-D AsS using first-principles calculations combined with the non-equilibrium Green’s function (NEGF). 2-D AsS exhibits a direct bandgap of 1.27 eV with small hole effective mass ( 0.46~m_0 in the x-direction and 0.15~m_0 in the y-direction). For channel lengths ranging from 8 to 10 nm, 2-D AsS p-MOSFETs exhibit ultrahigh on-state current ( I_ on ) exceeding 3000~ A/ m and saturation current ( I_ sat ) approaching 10^4~ A/ m. Notably, 2-D AsS exhibits intrinsic empty states ( E_ es ) at the valence band edge. Due to this unique electronic property, 2-D AsS p-MOSFETs can break through the Boltzmann limit, achieving a subthreshold swing (SS) of 30–50 mV/dec. These properties make 2-D AsS MOSFETs highly promising candidates for high-performance (HP), low-power p-type device applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于二维AsS材料p型晶体管的研究虽属基础半导体领域，但其突破性进展对我们的核心产品具有长远战略意义。
在光伏逆变器和储能系统领域，功率转换效率与功耗控制是核心竞争力所在。该研究展示的p型MOSFET实现了30-50 mV/dec的亚阈值摆幅，突破了传统玻尔兹曼极限（60 mV/dec），这意味着器件在开关过程中能以更低的电压实现状态转换，直接降低静态功耗。对于我们的储能变流器（PCS）和大功率逆变器而言，若未来采用此类器件，可显著提升待机效率和轻载工况下的转换效率，这对于大型储能电站的全生命周期经济性至关重要。
该材料展现的超高导通电流密度（>3000 μA/μm）和饱和电流（接近10^4 μA/μm）表明其优异的载流子传输能力，这对提升功率器件的电流密度和开关速度具有潜在价值。特别是在我们正在布局的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率模块之外，二维材料可能为下一代超高频、超低损耗的功率半导体提供新路径。
然而必须清醒认识到，该技术目前处于理论计算和材料物理研究阶段，距离工程化应用尚有较大距离。二维材料的大规模制备、器件稳定性、封装集成等工程问题仍是重大挑战。建议我们的技术预研团队持续跟踪此类新型半导体材料进展，适时与相关研究机构建立合作，为5-10年后的技术代际更新做好储备，确保在新能源功率电子领域的技术领先地位。