综述：基于TMDC的TFETs：进展、潜力以及通往节能电子产品的途径

《Micro and Nanostructures》：TMDC-based TFETs: Progress, potential, and pathways to energy-efficient electronics

TFETs基于二维TMDC材料，研究其设计、模拟与低功耗应用，探讨性能指标及实验进展，指出亚阈值摆幅优化和异质结集成等挑战。

　　

Jagritee Talukdar| Malvika| Basab Das| Ashutosh Srivastava| Wangkheirakpam Vandana Devi| Rajan Singh

印度梅加拉亚国立理工学院电子与通信工程系

摘要

在本研究中，我们重点介绍了基于二维（2D）过渡金属硫属化合物（TMDC）材料的隧道场效应晶体管（TFET）的最新设计、仿真及应用。首先，我们介绍了TFET和2D材料的基础知识，讨论了用于评估其性能的不同器件架构和计算技术。接着，我们探讨了各种基于TMDC的TFET，强调了关键性能指标，如导通电流（ON current）、关断电流（OFF current）、${\mathrm{I\_\{ON\}}}_{}/{\mathrm{I\_\{OFF\}}}_{}$比值以及亚阈值摆幅（subthreshold swing）。值得注意的是，范德瓦尔斯（vdW）异质结TFET能够实现较高的导通电流和$\mathrm{I\_\{ON\}}/{\mathrm{I\_\{OFF\}}}_{}$比值，这表明了它们在低功耗电子器件中的潜力。进一步分析了它们在模拟电路和数字电路中的应用，以及在生物传感和光传感领域的应用，其中TFET表现出更高的灵敏度和能效。此外，我们还讨论了最近的实验进展，包括异质结构工程和界面优化，这些都有助于提升器件性能。尽管2D TFET在低功耗开关应用中显示出巨大潜力，但仍存在一些挑战，如降低亚阈值摆幅（SS）、增强驱动电流以及与现有半导体技术的无缝集成。

章节摘录

隧道场效应晶体管简介

场效应晶体管（FET）尺寸的缩小带来了微处理器性能的显著提升，加快了开关速度，增加了集成度，扩展了功能，并降低了成本。然而，无法进一步降低供电电压以及漏电流的增加（这降低了“导通”和“关断”电流比）是现代复杂技术面临的两大问题，也是高功耗的原因。

2D材料概述

晶体管数量每两年翻一番的趋势始于20世纪60年代。到20世纪90年代末，MOSFET技术的创新使得能够生产出包含数千到数百万个晶体管的芯片。到了21世纪，硅基晶体管的制造技术进步使得晶体管数量达到了数十亿个。随着基于硅的晶体管接近其物理极限，研究人员开始转向二维（2D）材料来开发下一代电子器件[26][27]。图4展示了这一趋势。

基于TMDC的TFET结构设计

为了充分理解材料在纳米级TFET设计中的潜力，需要对其在不同长度尺度上的特性进行详细评估。基于2D材料的纳米级TFET的分析、设计和性能预测在很大程度上依赖于多尺度仿真。基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算可以提供任何材料系统的最基本描述。

TMDC TFET的仿真研究

对TMDC基TFET的仿真在理解其行为和优化性能方面起着关键作用。在本节中，我们深入探讨了用于模拟电学特性（如亚阈值摆幅、导通电流与关断电流比值以及开关行为）的各种仿真技术。这些仿真预测了材料属性、器件架构和制造技术对器件性能的影响。

基于TMDC的TFET的应用探索

基于TMDC的TFET因其在未来电子和光子应用中的巨大潜力而受到广泛关注。这些低维材料凭借其独特的电子特性，特别适合用于低功耗、高性能的器件。TMDC基TFET能够在较高的亚阈值摆幅和低关断漏电流下工作，使其成为超低功耗电路的理想选择，从而增强了其在模拟和数字电路中的适用性。

TMDC TFET的实验研究

Lan等人实验性地展示了一种新型垂直隧穿FET，该FET采用单层MoS2通道，这是首次使用单层TMD材料研究静电诱导的p-n和n+-n结中的BTBT（ bipolar tunneling behavior）现象。栅极诱导的掺杂和强内部电场使得能够观察到BTBT电流和双极传输现象。这种方法突显了单层TMDC在先进隧穿应用中的潜力[118]。接下来将进行更多相关研究。

结论与未来展望

基于2D材料的TFET研究继续为实现下一代高效电子系统带来巨大潜力。本综述全面探讨了基于TMDC的TFET的发展历程，涵盖了材料特性、器件设计策略、仿真方法、实验进展以及新兴应用领域。尽管在理解BTBT现象和vdW异质结构集成方面取得了显著进展，但仍存在一些关键的科学和

作者贡献声明

Jagritee Talukdar：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论制定、数据整理、概念构思。Malvika：撰写——审稿与编辑、验证、监督。Basab Das：初稿撰写、可视化设计、监督。Ashutosh Srivastava：撰写——审稿与编辑、验证、监督、概念构思。Wangkheirakpam Vandana Devi：撰写——审稿与编辑、可视化设计、验证。Rajan Singh：验证、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。