基于拓扑绝缘体的负量子电容晶体管及其超陡峭亚阈值摆幅特性研究

The electronic devices with super-steep subthreshold slope (SS) are very attractive in future high-speed and low power integrated circuit logic device applications. However, current strategies to realize super-steep SS such as negative capacitance field-effect transistor (NCFET) and tunneling field-effect transistor (TFET) suffer from the intrinsic disadvantages of the materials and devices. This project is focusing on the negative quantum capacitance effect based on topological insulator and the realization of negative quantum capacitance field-effect transistor (NQCFET) prototype device with super-steep SS characteristics by utilizing high-performance two-dimensional (2D) material-based transistor. We will investigate the 2D material/dielectric/topological insulator system and the process optimization to achieve in-depth understanding of mechanism of negative quantum capacitance effect in NQCFET devices, as well as the manipulation and control over the subthreshold behaviors. This can open up a scientific pathway to the design and improvement of the topological insulator-based NQCFET devices.

超陡峭亚阈值摆幅器件在未来高速、低功耗集成电路逻辑器件领域有着非常好的应用前景。然而目前实现超陡峭亚阈值摆幅的负电容晶体管（NCFET）和隧穿晶体管（TFET）方案都不可避免的受限于材料或器件本身的缺点。本项目提出通过研究基于拓扑绝缘体材料的负量子电容效应，在高性能二维材料场效应管器件的基础上，制备具有超陡峭亚阈值摆幅的负量子电容晶体管（NQCFET）原型器件，并优化适用于该器件的二维材料/介质/拓扑绝缘体材料体系和工艺，解决NQCFET器件中负量子电容效应的作用机理和亚阈值摆幅特性的调控机制等关键科学问题，为基于拓扑绝缘体的NQCFET器件的结构设计、性能提升和技术优化提供关键的科学依据。

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亚阈值摆幅60 mV/dec的室温极限，是实现高速低功耗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。. 本项目系统研究了基于拓扑绝缘体表面传导态以及单层石墨烯二维金属系统的负量子电容效应，研究了基于该类二维电子系统的负电子压缩效应，以及负量子电容的形成条件与影响因素。在高性能二维材料场效应晶体管器件的基础上，制备了具有陡峭亚阈值摆幅特性的负量子电容晶体管（NQCFET）原型器件。研究工作中分别将拓扑绝缘体Bi2Se3与单层石墨烯集成于MoS2晶体管栅介质中，通过栅极调控拓扑绝缘体和单层石墨烯的费米能级，在低态密度条件下实现了负量子电容效应，进而实现了内部栅压放大和突破玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅特性，分别获得了室温下38 mV/dec和31 mV/dec的亚阈值摆幅特性。本项目还结合理论仿真研究，揭示了NQCFET器件陡峭亚阈值摆幅的形成机理和影响因素。相比于传统基于铁电材料的负电容晶体管器件，本项目所制备的NQCFET器件不受限于铁电材料极化翻转的限制，能够在更大的电流窗口内（超过1E3）稳定实现陡峭开关特性。器件同时具有极小的滞回和超过1E6的开关电流比，有效降低了器件的静态功耗和动态功耗。部分研究成果于2022年被微电子器件领域顶级会议IEDM接收，并作口头报告。. 基于本项目的研究，共发表了学术论文7篇，其中包括1篇IEDM会议论文。申请了发明专利3项，已授权2项。本项目所制备的负量子电容晶体管器件和获得的陡峭亚阈值摆幅特性为未来高速低功耗晶体管器件技术提供了全新的发展路径。并且本项目所形成的器件工艺和陡峭亚阈值摆幅的机理同样适用于具有负量子电容效应的其他二维电子系统，研究成果为该类器件的机理研究和性能优化奠定了重要基础。