基于混合控制机理的新型隧穿场效应晶体管器件研究

Continuous scaling of conventional MOSFET has made the power dissipation become the most severe problem and the biggest bottleneck for nanoelectronic circuits. To mitigate this problem, this project is about to investigate novel ultralow-power tunnel field-effect transistor designs from the perspective of mechanism innovations. However, due to their fundamentally physical limitation from single band-to-band tunneling mechanism, most of currently reported tunnel field-effect transistor proposals cannot achieve high on-state current, ultra-steep average subthreshold swing and large on-off current ratio simultaneously, and cannot satisfy the performance requirement of practical ultralow-power circuits applications. Therefore, in this project, a novel tunnel field-effect transistor design with hybrid switching mechanism will be proposed to solve the above-mentioned performance problems by smartly incorporating band-to-band tunneling mechanism and traditional thermal injection mechanism, providing a new reliable and promising candidate for ultralow-voltage and ultralow-power transistors. This project of novel tunnel field-effect transistor design will mainly focus on four parts, including device structure and mechanism design, device simulation and optimization, device fabrication and characterization, and device analytical model, which is very helpful and significant for its further ULSI circuit design.

随着传统MOSFET器件尺寸不断缩小，功耗问题日益突出，现已成为集成电路技术发展的一大瓶颈。针对这一问题，本项目将立足基础器件研究，并从最根本的工作机理着手，开展超低功耗新机理的隧穿场效应晶体管的研究。目前国际上对隧穿场效应晶体管的器件研究多数受到单一带带隧穿工作机制的物理局限，很难同时满足高开态电流、超陡平均亚阈值摆幅和高电流开关比的性能需求。本项目创新地提出将带带隧穿机制和传统热注入机制相结合的新型混合控制工作机理的设计思路，对器件进行优化设计，研究能解决上述综合性能问题的新型隧穿场效应晶体管设计方案，提供具有高可靠性、具有超低压超低功耗应用前景的器件结构选择。本项目将围绕器件的结构和机理设计、模拟仿真优化、工艺实验制备和器件模型建立等方面展开深入的研究工作，为其在未来面向超低压低功耗集成电路的应用奠定笃实的基础，具有重要的科学意义和应用价值。

针对集成电路的功耗瓶颈问题，本项目提出从器件的工作原理着手，开展超低功耗新机理的隧穿场效应晶体管研究，重点开展基于混合机理的新型隧穿场效应晶体管研究。本项目首先针对常规隧穿器件面临的亚阈摆幅随栅压增大而逐渐退化的问题，分别提出了基于SiGe材料、III-V材料、以及二维材料的新型异质结隧穿场效应晶体管，相比传统器件，实验制备的新型器件开态电流有较大提升，并在保持相同的低关态电流的基础上，显著优化了器件的亚阈特性。在上述器件特性优化的基础上，本项目进一步提出将带带隧穿机制分别与传统热注入机制和负电容机制结合的设计方法，提出并实验制备了同时具有高开态驱动电流、超陡亚阈值摆幅和低泄漏电流的新型混合控制机理隧穿场效应晶体管，体现出其在超低功耗领域极大的应用潜力。在对新型器件设计和分析的基础上，进一步建立了新型混合机理隧穿场效应晶体管的器件电流的解析模型，并基于模型开展了电路仿真和优化设计工作，结果表明相比传统CMOS电路，两者电路延迟可相比拟，但基于新型隧穿器件的电路功耗低2个数量级以上，并可以解决传统隧穿器件在串联电路结构中面临的电流衰减问题，同时在新型脉冲神经元电路应用领域具有极大潜力。在本项目的支持下，共发表论文15篇，其中SCI收录论文6篇，EI收录论文8篇，申请并授权中国发明专利4项。本项目的研究成果为未来进一步开展基于超陡亚阈摆幅极低功耗电路及芯片提供了器件基础和重要的指导作用。