金属化后隧道场效应晶体管俯视图的假彩色扫描电子显微镜图像。信贷:Convertino等人在过去几十年里，电子行业取得的令人难以置信的进步部分是由单晶体管水平的创新推动的。晶体管是阿瑟半导体器件，可以传导、绝缘和放大电子电路中的电流。过去几年，制造更快、更小的晶体管一直是半导体行业的主要目标。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)是最传统和最广泛使用的晶体管类型。它们的一个主要限制是它们的高功率低效率，这是由于它们不能在降低电源电压的同时限制关断状态的漏电流。
一种被称为隧道场效应晶体管(TFET)的新型替代器件可以通过利用量子力学隧道效应而不是热离子发射来克服这一限制。薄膜晶体管，尤其是那些具有ⅲ-ⅴ族异质结构的薄膜晶体管，需要小于60 mV的栅极电压摆幅，才能在环境温度下引起漏极电流一个数量级的变化。尽管它们的功耗更低，但在更高的驱动电压下，薄膜晶体管还没有达到金属氧化物半导体场效应晶体管的显著速度和能量效率。
国际商用机器公司欧洲研究中心和洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员最近开发了第一个硅基混合器件，它结合了三伏隧道场效应晶体管和传统的金属氧化物半导体场效应晶体管。他们开发的技术发表在《自然电子》杂志的一篇论文中，结合了两种不同晶体管设计的优势。
“我们展示了第一个混合技术平台，该平台将III-V隧道场效应晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管结合在一起，具有可扩展的工艺，适用于大规模半导体制造，”开展这项研究的研究人员之一克拉丽莎·科万蒂诺(Clarissa Convertino)告诉TechXplore。“这样的低功耗技术平台为未来的节能电子产品铺平了道路，最终目标是减少ICT行业的碳足迹。”
3D示意图，代表开发的技术平台。场效应晶体管(左边)与隧道场效应晶体管(右边)的区别仅在于晶体管源区使用了不同的材料。Credit: Convertino等人由Convertino及其同事开发的新平台利用了隧道场效应晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管之间的协同作用，因为它允许用户实现针对每种类型器件的独特细节定制的混合逻辑块。在初步评估中，缩放的三-五混合TFET-场效应晶体管器件实现了TFET器件42毫伏dec-1和场效应晶体管器件62毫伏dec-1的最小亚阈值斜率。
“隧道场效应晶体管在低电压水平下提供更低的泄漏和良好的性能，而场效应晶体管更快(在相同的尺寸和偏置下)并提供更大的电流驱动，”Convertino解释说。“除了单一的掩模和外延步骤之外，两种器件开发的制造流程完全相同，这为制造真正的混合逻辑块打开了大门。此外，据我们所知，我们的隧道场效应晶体管在最小的栅极长度下表现出创纪录的性能。”
研究人员的设备取得的显著性能部分归功于他们引入了自对准源替换步骤。事实上，在他们的平台中，GaAsSb源的位置是由数字蚀刻决定的，这种工艺允许他们在纳米范围内控制移除材料。
Convertino和她的同事率先使用替代金属栅极和隔离物技术，在先进的混合平台上有效地演示了面内异质结隧道场效应晶体管的集成。在未来，他们创造的技术能够开发更快、更高效的电子器件，将TFET晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管的优势结合起来。
Convertino说:“在我们接下来的研究中，我们将进一步探索所开发平台的潜力及其在不同工作条件下的应用，例如在低温下，低至毫开尔文范围。"超低功率电子学对于量子计算应用特别有意思."
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