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高通量计算筛选突破亚阈值摆幅热力学极限的二维“孤立能带”沟道材料

左边两图中显示，“孤立能带”可以通过增加轨道能量差或减少金属M元素和非金属X元素之间的轨道重叠来形成。在右图中，根据这一指导原则，通过高通量计算确定了一类二维“孤立能带”半导体材料并在MOSFET中实现低于60 mV/dec的亚阈值摆幅，这为设计和构筑下一代高能效二维纳米电子器件提供了新的机遇。

近日，《Science Bulletin》杂志发表了南京理工大学张胜利教授和曾海波教授的研究成果。该研究提出，以具有“孤立能带”特征的二维半导体作为沟道的MOSFET具有突破亚阈值摆幅60 mV/dec的潜力，有望能够克服集成电路领域的功耗瓶颈。研究人员进一步提出，这种独特的电子结构起源于原子轨道能级差和二维微观结构引起的原子轨道弱耦合。基于此，通过高通量计算，他们从1608种材料种筛选出192种这种具有突破晶体管热输运极限潜力的二维沟道材料，这其中包含66种过渡金属氮/硫/卤化合物和126种主族金属氮/硫/卤化合物。基于非平衡格林函数和密度泛函理论，他们进一步提出了电子结构与器件性能之间的特定函数关系。基于这种关系，筛选出10余种“孤立能带”展宽低于1 eV的二维沟道材料，能够在MOSFET的电源电压低于0.5 V的获得良好的器件性能。

这种新型的陡峭亚阈值摆幅MOSFET主要依靠费米能级附近独特的“孤立能带”切断高能区的热载流子输运，而开态时仍保留与传统MOSFET相同的热激发机制。与负电容晶体管和隧穿晶体管相比，它不需要复杂的器件结构，例如隧道异质结构或铁电栅极电介质，这可能使其有更大的潜力应用于未来超低功耗集成电路。