国际著名出版社SpringNature旗下计算科学期刊《npj2DMaterials andApplications》，近期发表电气与自动化学院郭宇铮教授课题组、工业科学研究院张召富研究员等人，应用“冷”金属材料探索晶体管的超陡峭亚阈值和负微分电阻效应的最新研究成果。

论文题目为《Computational study of transition metal dichalcogenide cold source MOSFETs with sub-60 mV per decade and negative differential resistance effect》。武汉大学电气与自动化学院2018级博士殷奕恒为第一作者，郭宇铮教授和张召富研究员为通讯作者，武汉大学为第一作者单位。该研究得到了武汉大学人才科研启动经费的支持。

目前在芯片制造领域已经成功实现了5纳米晶体管的商用。但是由于硅基MOSFET严重的短沟道效应，摩尔定律的发展开始遇到瓶颈。为了进一步提升晶体管的性能，学术界提出了冷源场效应晶体管的概念，通过屏蔽高能量区域热载流子的输运，实现低于60mV/dec的超陡峭亚阈值(SS)。2H相的“冷”金属——单层二硫化铌(NbS2)和二硫化钽(TaS2)，在费米能级附近存在带隙，可以认为是天然的p型掺杂或n型掺杂半导体，是实现超陡峭SS的理想方案。独特的态密度结构使“冷”金属晶体管(‘Cold’MetalFET, CM-FET)的输运局域在费米能级附近，屏蔽了热载流子的输运，从而实现SS < 60 mV/dec的目标。此外，单层NbS2、TaS2以及NbS2异质结的成功合成也为“冷”金属异质结和晶体管的研究奠定了基础。本文对NbS2和TaS2“冷”金属源极晶体管的性能进行了全面的量子输运计算。CM-FET不仅能满足导通电流(Ion)、功耗和截止频率的高性能和低功耗目标，并且室温下的最小SS为45mV/dec。相比于隧穿晶体管，CM-FET可以同时实现极低的SS和优异的Ion，并且器件的转移特性曲线不会像负电容晶体管一样出现回滞。因此，CM-FET有望成为延续摩尔定律的新型器件，并在下一代的5nm的高性能逻辑器件。

“冷”金属晶体管结构示意图和器件性能

此外，CM-FET还可以实现负微分电阻(NDR)效应。由于NbS2和TaS2异质结都是Ⅲ型能带对齐，且基于“冷”金属的二维电极具有可调节的肖特基势垒，因此能够实现很大的峰值电流和电流峰谷比，并由栅极电压进行连续调节。本研究可为亚5纳米晶体管亚阈值性能的提升提供合理和直接的指导，同时提出的基于“冷”金属的负微分电阻效应具有较大的峰值电流和电流峰谷比表现出了的巨大应用潜力。

文章信息：

Computational study of transition metal dichalcogenide cold source MOSFETs with sub-60 mV per decade and negative differential resistance effect,Y.Yin#, Z. Zhang*,C.Shao,J.Robertsonand Y. Guo*,npj2DMaterials andApplications,6,55(2022)

https://www.nature.com/articles/s41699-022-00332-6.epdf

（撰稿：殷奕恒  审稿：徐箭  责编：王环）