使用高介电常数材料优化InSe场效应晶体管以应用于模拟/射频电路的性能

在微薄晶片上实现更快、更聪明的电子器件

从5G手机到雷达与医疗成像设备，现代电子产品都依赖能够放大微弱信号并在极高频率下工作的晶体管。本文探讨了一种有前景的超薄材料——硒化铟（InSe），如何被精细调控以为未来的模拟和射频（RF）电路提供更强的信号增益，这类电路用于无线通信与传感。通过谨慎选择位于晶体管有源沟道旁的绝缘层，作者展示了在提升性能的同时如何权衡不可避免的功耗与速度的取舍。

超越日常硅的全新材料

几十年来，硅一直是电子学的主力，但工程师们如今转向能剥离出仅几原子厚层的原子级薄材料。这些“二维”材料可以具有柔性、透明性，并在传导电荷方面非常高效。石墨烯曾是这一类别的明星，但由于缺乏能隙，它在传统的开关应用中表现受限。像硒化铟这样的材料提供了折衷方案：既保留了二维层的优点，又具有能隙，使器件能够实现清晰的开关并支持低功耗运行。此前的研究主要关注InSe在数字逻辑和光探测方面的应用；本工作则将注意力转向其在模拟与射频电路中的作用，在这些场景下，平滑的放大与高频行为比单纯的二进制开关更为重要。

改变“看不见”的绝缘层如何改变器件行为

每个场效应晶体管都依赖栅极通过夹在其中的绝缘层（或介电质）来控制一条薄的电荷通道。在此，作者模拟了采用不同介电材料的InSe晶体管，从类似硅芯片中使用的常规氧化物到所谓的高k介电质，这些材料更有效地存储电荷。通过详尽的量子级别计算机模型，他们计算了当栅压变化时电子如何在纳米尺度的InSe带状结构中运动。随着介电常数的增大，栅极产生的电场对通道的“抓取”更强，吸引更多电荷参与运动并降低电子必须跨越的能量障碍。这会在器件导通时产生更高的电流，并在导通与关断状态之间形成更清晰的分离，这对数字和模拟应用均是利好。

将更强的控制转化为更大的信号增益

本研究的真正重点在于模拟与射频领域的性能指标——用于描述晶体管放大信号能力及其功耗或带宽代价的量化指标。采用高k材料后，模拟中的InSe器件表现出近乎双倍的跨导，这是衡量输入电压变化被转换为输出电流变化效率的指标。反过来，这也提升了固有增益，该项指标将跨导与器件维持输出电压稳定性的能力结合起来。作者还考察了混合性指标，将增益、速度和效率融合在一起——例如在给定工作频率下可实现的增益，或每单位电流在放大中的利用效率。在所有这些比较中，更高k的介电材料都展示出明显优势，有时使性能指标提高70%到超过150%。

额外推力的代价：对最高速度的影响

然而，天下没有免费的午餐。增强栅极对通道控制力的高k介电同时也增加了器件的电容，这意味着在晶体管每次开关时需要移动更多的电荷。尽管驱动电流和增益有所改善，但这种额外的电荷会放慢晶体管的极限运行速度，略微降低截止频率——即器件不再提供有用放大的频率点。在模拟结果中，与常规氧化物相比，最高k情况下的速度指标约下降了10%。作者将此作为一种设计权衡点：工程师可以根据是否优先追求强增益、最高频率或两者之间的最佳平衡来调节介电选择。

这对未来无线与传感芯片意味着什么

简而言之，该研究表明，通过将InSe晶体管中的薄绝缘层替换为更“擅长存储电荷”的材料，工程师可以构建微小开关，从而更有效地放大信号，但最大速度会有适度下降。这使得高k InSe器件对低电压的模拟与射频电路尤其具有吸引力——在这些场景中，清洁的增益和能效比追求极限最高频率更为重要。随着建模变得更为现实（加入散射和缺陷等效应）以及制造工艺的提升，这类定制化的二维材料晶体管有望成为新一代柔性、低功耗通信与传感技术的基础。

引用: Ahmad, M.A., Imam, M., Mech, B.C. et al. Performance optimization of InSe-FETs using high-k dielectric materials for analog/RF applications. Sci Rep 16, 9573 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-21242-9

关键词: 硒化铟晶体管, 高k介电材料, 模拟射频电子学, 二维半导体器件, 纳米电子学模拟