基于Ti3C2Tx MXene的低电压薄膜晶体管紧凑模型及其1位算术逻辑单元电路实现

为解决传统薄膜晶体管(TFT)高功耗问题，研究人员开发了以Ti3C2Tx MXene/SnO2为有源层、Li-Al2O3为介电层的低电压(～2V)TFT器件，通过Silvaco-Techmodeler工具建立紧凑模型(误差仅0.001%-0.92%)，并成功实现1-bit ALU电路，为微处理器和存储器开发提供新方案。

　　

在半导体技术飞速发展的今天，工业领域对低功耗电子器件的需求日益迫切。传统基于SiO₂介电层的薄膜晶体管(TFT)存在工作电压高(20-40V)、功耗大的问题，而采用高k介电材料虽能降低工作电压，却面临材料性能和集成工艺的挑战。二维材料MXene因其可调带隙、高导电性和化学稳定性成为研究热点，但其在集成电路中的应用仍存在模型精度和功能验证的瓶颈。

针对这些问题，国内研究人员通过创新性地采用Ti₃C₂T_x MXene与SnO₂复合有源层结构，结合Li-Al₂O₃高k介电层，成功制备出工作电压仅2V的高性能TFT器件。该器件展现出优异的性能参数：阈值电压1.2V、亚阈值摆幅194mV/decade、开关比～10⁵、迁移率10.6cm²/V-sec。研究团队进一步采用Silvaco-Techmodeler工具建立紧凑模型，实现与实测数据高度吻合(准确度～100%)，为后续电路设计奠定基础。相关成果发表在《Carbon Trends》上。

关键技术包括：溶液法制备Ti₃C₂T_x MXene有源层(厚度～15nm)和SnO₂半导体层(～30nm)；旋涂工艺沉积Li-Al₂O₃介电层(～94nm)；采用Silvaco-Techmodeler进行器件建模；通过Silvaco-Gateway工具实现1-bit ALU电路仿真验证。

3. 结果与讨论
3.1 器件特性
输出特性曲线显示，在V_GS从-0.5V增至2V时，最大饱和电流达1.35×10^-4A。转移特性曲线验证了器件在饱和区(I_DS=μ_n(W/2L)C_OX(V_GS-V_TH)²)和线性区(I_DS=μ_nC_OX(W/L)[(V_GS-V_TH)V_DS-V_DS²/2])的良好工作特性。

4. 电路仿真
基于4:1多路复用器架构，研究人员实现了包含AND、OR、NOT和XNOR逻辑的1-bit ALU电路。通过选择线(S₁,S₀)控制，分别完成:

• S₁S₀=00时执行AND运算(Y=A·B)
• S₁S₀=01时执行XNOR运算(Y=A⊙B)
• S₁S₀=10时执行OR运算(Y=A+B)
• S₁S₀=11时执行NOT运算(Y=A')

瞬态分析显示，反相器增益达4.5，噪声容限0.23V，平均传播延迟4.6ns，所有逻辑功能均得到验证。

这项研究首次将MXene基TFT的紧凑建模与ALU电路实现相结合，不仅证实了MXene在低电压集成电路中的应用潜力，更为未来微处理器和存储器开发提供了可扩展的技术路线。相比传统CMOS工艺，该方案仅需n型TFT即可实现完整逻辑功能，显著简化了制造流程。研究成果为二维材料在集成电路领域的实用化迈出了关键一步。