复旦大学微电子学院实现低功耗负量子电容场效应晶体管器件

当前MOSFET器件的持续微缩所带来的功耗问题已经成为制约集成电路发展的主要瓶颈。

研发新原理器件以突破MOSFET亚阈值摆幅（SS）为60mV/dec的室温极限，是实现高速度、低功耗CMOS技术和集成电路的重要途径。

近年来，包括隧穿晶体管（TFET）、负电容晶体管（NCFET）、冷源晶体管（CSFET）等在内的多种器件技术为实现陡峭亚阈值摆幅和低功耗器件性能提供了思路。

复旦大学微电子学院朱颢研究团队针对上述晶体管器件技术的关键需求，与美国国家标准与技术研究院（NIST）及美国乔治梅森大学合作，提出了一种具有陡峭亚阈值摆幅的负量子电容晶体管器件。

研究成果以《Steep-Slope Negative Quantum Capacitance Field-Effect Transistor》为题在近日召开的第68届国际电子器件大会（IEDM，International Electron Devices Meeting）上发表，微电子学院朱颢以及美国NIST的Qiliang Li为通讯作者，课题组杨雅芬博士为第一作者，复旦大学微电子学院为第一单位。

该工作将单层石墨烯二维金属系统集成于MoS2晶体管的栅极结构中，构建负量子电容晶体管（NQCFET）器件，利用单层石墨烯在低态密度条件下产生的负电子压缩效应，通过栅极电压调控形成负量子电容。

类似于传统基于铁电材料的负电容器件，NQCFET器件中利用石墨烯提供的负量子电容贡献，实现内部栅压放大和小于60mV/dec亚阈值摆幅的特性。

该工作中，通过对器件栅极叠层结构以及制备工艺的优化，实现了最小31mV/dec的亚阈值摆幅和可忽略的滞回特性，以及超过106的开关比，有效降低器件静态与动态功耗。同时结合理论仿真揭示了器件陡峭亚阈值摆幅的形成机理，为未来高速低功耗晶体管器件技术的发展提供了新的路径。

该项研究工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。

负量子电容晶体管器件结构与器件性能图

（文：复旦大学微电子学院）

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