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为解决传统隧穿场效应晶体管（TFETs）导通电流低、负电容场效应晶体管（NCFETs）电流滞后等问题，研究人员开展了基于二维材料异质结的负电容隧穿场效应晶体管（NC-TFET）研究。该器件性能优异，为低功耗高性能电子和光电器件发展提供新方法。
在当今科技飞速发展的时代，集成电路微电子器件以及光电器件不断朝着低功耗、小尺寸的方向迈进。然而，传统的金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFETs）受限于玻尔兹曼极限，亚阈值摆幅被牢牢限制在 60mV/dec，这就像给器件的性能提升戴上了沉重的枷锁，严重阻碍了其尺寸的进一步缩小和功耗的降低 。与此同时，隧穿场效应晶体管（TFETs）虽能凭借载流子的带间隧穿（BTBT）突破亚阈值摆幅的限制，但存在半导体与栅氧化层间的悬空键问题，影响栅控效率和载流子传输，导致导通电流（Ion）较低、Ion/Ioff比值不理想；负电容场效应晶体管（NCFETs）虽借助铁电栅的负电容效应实现了低于 60mV/dec 的亚阈值摆幅，可栅介质与半导体沟道间的不良界面，又使得铁电材料在电场中容易极化，造成传输曲线不稳定和潜在的电流滞后现象。这些问题成为了电子和光电器件发展道路上的 “拦路虎”，迫切需要新的解决方案。
在这样的背景下，为了突破现有困境，推动电子和光电器件的进一步发展，研究人员开展了一项极具意义的研究。研究人员设计并制备了一种基于铁电氧化锆铪（HZO，Hf1?xZrxO2，x = 0.5）薄膜和BP/ReS2异质结的负电容隧穿场效应晶体管（NC - TFET）。这项研究成果意义重大，为低功耗高性能电子和光电器件的发展开辟了新的方向。该研究成果发表在《Applied Materials Today》上。
研究人员为开展此项研究，采用了多种关键技术方法。首先，利用二维材料独特的性质，制备了BP/ReS2异质结，该异质结形成的 Ⅲ 型能带结构有利于载流子隧穿。其次，选用具有厚度可调节性、与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容且环保的铁电 HZO 薄膜作为栅介质层，为器件提供负电容效应。通过这些关键技术，实现了对器件性能的有效调控。
结果与讨论
研究人员制备的 NC - TFET 器件性能十分优异。在电流变化三个数量级的范围内，该器件实现了 45mV/dec 的亚阈值摆幅，最低亚阈值摆幅更是达到了 13.4mV/dec，同时获得了高达106的最大Ion/Ioff比值，并且在亚阈值区域具有极小的滞后现象。这意味着该器件在实现低功耗运行的同时，能够快速、稳定地进行开关切换，大大提升了电子器件的性能。
为展示该器件在逻辑电路中的应用潜力，研究人员还在铁电衬底上集成了由BP p 型场效应晶体管和ReS2/BP n 型负电容隧穿场效应晶体管组成的反相器。这一成果表明，这种新型器件能够在实际的逻辑电路中发挥重要作用，为未来集成电路的设计和制造提供了新的思路和选择。
在光电器件性能方面，该 NC - TFET 同样表现出色。在 520nm 激光照射下，得益于 Ⅲ 型异质结固有的隧穿过程，器件实现了 8μs 的响应时间；在光强为 4.2nW 时，其响应度达到了 41A/W。这些数据充分显示了该器件在光探测领域的巨大应用潜力，有望为光电器件的发展带来新的突破。
结论与讨论
本研究设计的基于铁电 HZO 薄膜的BP/ReS2负电容隧穿场效应晶体管，巧妙地利用了BP/ReS2异质结的 Ⅲ 型能带排列促进载流子隧穿，同时借助铁电栅介质的负电容效应提升了器件性能。在室温下，该器件实现了平均 45mV/dec 的亚阈值摆幅，最低可达 13.4mV/dec，最大Ion/Ioff比值为106，还具备优异的光电器件性能。
这一研究成果意义非凡。从电子器件角度看，其突破了传统 TFETs 和 NCFETs 的性能瓶颈，实现了更低的亚阈值摆幅、更高的Ion/Ioff比值和更小的滞后现象，为低功耗高性能逻辑电路的发展提供了新的技术方案。从光电器件角度出发，其在光探测方面的卓越表现，如快速的响应时间和高响应度，为光探测领域带来了新的希望，有望推动光电器件在更多领域的广泛应用，如高速光通信、光学成像等。该研究为电子和光电器件的未来发展奠定了坚实的基础，开启了低功耗高性能电子与光电器件的新篇章。
