Monolayer WSi2N4 : A promising channel material for sub-5-nm-gate homogeneous CMOS devices

类型(生物学) 物理 CMOS芯片 材料科学 光电子学 生态学 生物
作者
英根 李,Chunyu Qi,Xun Zhou,Linqiang Xu,Qiuhui Li,Shiming Liu,Chen Yang,Бо Лю,Lin Xu,Jichao Dong,Shibo Fang,Z. Yang,Yifan Chen,Xiaotian Sun,Jing Lü
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:20 (6) 被引量:8
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.20.064044
摘要

Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) devices require both n-type and p-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs), but achieving both types that meet the requirements of the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) at ultrashort gate lengths is a challenge. Recently synthesized two-dimensional crystal ${\mathrm{WSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ exhibits high theoretical hole and electron carrier mobilities. In this study, we investigate the performance limits of double-gated (DG) monolayer (ML) ${\mathrm{WSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ MOSFETs with sub-5-nm gate lengths using first-principles density-functional theory and the nonequilibrium Green's function method. Our results show that both the n-type and p-type DG ML ${\mathrm{WSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ MOSFETs can meet the requirements of ITRS 2013 for high-performance (HP) applications at the 2028 technology node, even when the gate length is scaled to 3 nm. For low-power applications, the scaling limits for the gate lengths of the n-type and p-type DG ML ${\mathrm{WSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ MOSFETs are 4 and 5 nm, respectively. Importantly, the on-state currents of the n-type and p-type HP DG ML ${\mathrm{WSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ MOSFETs are highly symmetric, highlighting the potential of ML ${\mathrm{WSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ as a promising material for building next-generation CMOS devices, especially for HP applications.
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