极化增强型亚5纳米Janus MoSiGeN4场效应晶体管：高性能与低功耗应用的突破

（编辑推荐）本研究通过第一性原理计算，揭示了Janus MoSiGeN4材料中本征面外电极化（out-of-plane electric polarization）与外部电场的协同效应，成功设计出3纳米栅长冷源FET，其亚阈值摆幅（subthreshold swing）逼近60 mV/dec的玻尔兹曼极限，同时满足国际半导体技术路线图（ITRS）的高性能（HP）和低功耗（LP）标准，为超短沟道器件设计提供了新思路。

　　

Highlight

本工作通过系统理论研究阐明：与MoSi₂N₄和MoGe₂N₄相比，Janus MoSiGeN₄单层材料因其不对称结构产生的本征极化场（polarization field），在与外电场协同作用下显著提升器件性能。

Method and computational details

所有计算均基于QuantumATK软件完成，采用广义梯度近似（GGA-PBE）泛函，设置15 ?真空层以避免周期性干扰，截断能设为100 Hartree，确保计算精度。

The types of 2D channel materials

如图1(a)所示，二维短沟道FET的通道材料可分为两类：非极性半导体（如对称结构的MoSi₂N₄）因较大有效质量和低迁移率限制了性能；而Janus结构材料通过极化效应打破对称性，实现载流子输运调控。

Conclusions

研究表明：Janus MoSiGeN₄具有1.31 eV适中带隙和面外极化特性，其3纳米栅长器件采用LaOCl介电层和欠覆盖结构时，同时满足ITRS的HP（990 μA/μm）和LP（690 μA/μm）电流标准，甚至1纳米栅长时仍保持优异性能，缺陷影响下仍超越现有二维FET理论值。