前言

晶体管尺寸的大幅缩小已经彻底改变了半导体行业。然而，无法按比例缩小这些纳米晶体管的电源电压导致大功耗一直是现代CMOS技术的基本瓶颈。这主要是因为传统场效应晶体管中的热离子传输特性将开-关转换(或亚阈值斜率，SS)的突然性限制在玻尔兹曼极限。多年来， 人们一直在努力研究能够突破玻尔兹曼极限的替代器件策略，例如负电容铁电栅场效应晶体管(受铁电畴开关和磁滞现象的限制)和正反馈冲击电离IMOS(受高电压差的限制)。迄今为止，替代传统场效应晶体管的主要竞争者是隧道场效应晶体管(TFETs)，它采用带间隧穿(BTBT)来实现小于60mV/dec。，虽然薄膜场效应晶体管有助于实现非常低的导通电阻和陡峭的导通电阻，但其代价是离子的严重退化。

研究内容

印度科学研究所的科研人员的一项工作中，他们肯定地解决了一个基本问题:是否有可能将TFET出色的开关特性与传统热离子金属氧化物半导体场效应晶体管的高导通状态电流特性结合起来？为了实现这种融合，他们采用了一种有意识的设计策略，即使用金属/半导体肖特基结作为开关元件，与带间隧穿(BTBT)结不同，它同时考虑了热离子和隧穿电流分量。实验证明，在基于超薄MoS2通道的双栅极平面“栅极可调热离子隧道场效应晶体管(GT3场效应晶体管)”中，可以调整热离子和隧道电流分量。与最先进的ATLAS FETs11相比，所实现的器件提供了出色的性能，通过实验阐明了一个详细的亚低温传导机制，与实验结果符合。

实验方法

已经有研究彻底研究了多层MoS2和其他过渡金属二硫化物(TMDs)上的场效应晶体管，产生了高的开-关电流比和可观的驱动电流和迁移率。然而，仔细观察发现，MoS2场效应晶体管中的开关机制是通过肖特基势垒同时热离子和隧穿注入电荷载流子，这与传统MOSFETs中的热离子传导不同。虽然有几个小组已经报告了超薄沟道TMDs上的双栅极场效应晶体管， 迄今为止，所有器件都显示SS > 60mv/dec 。 Solomon在理论上假设不可能通过肖特基势垒获得亚热离子传导，这是因为扫描栅极电压同时改变了沟道数量以及对势垒高度降低的贡献，导致热离子成分的相当大的贡献，因此SS >60 mV/dec。为了规避这种范式，他们提出了双栅极场效应晶体管。

器件横截面示意图

Ids和. Vtg, 固定Vbg的关系

用Vbg提取肖特基势垒高度

结论

科研人员证明了通过肖特基结适当控制隧穿和热离子成分，有可能在同一器件中促进亚热离子传导和高导通电流。栅极可调热离子隧道场效应晶体管(GT3场效应晶体管)是通过采用有效的双栅极结构和超薄MoS2沟道材料处理实现的，使其与ITRS推荐的低功率场效应晶体管兼容。由于肖特基接触允许隧穿和热离子电流，亚热离子传导和高离子的综合优势可以替代没有热离子成分的薄膜晶体管。栅极可调谐特性允许从亚高温陡直区过渡到高电流区，这与现代超大规模集成电路非常匹配，因为现代超大规模集成电路需要很小的晶体管子集来以关断电流为代价获得更高的性能。

https://doi.org/10.1063/1.4996953。