双栅垂直隧穿场效应晶体管中Mg2 Ge源材料的革命性低功耗潜力研究

为解决传统MOSFET在高集成度电路中的功耗瓶颈，研究人员创新性地采用低带隙材料Mg2 Ge（0.69 eV）作为双栅垂直隧穿场效应晶体管（DG-VTFET）的源极，通过能带间隧穿（BTBT）机制显著提升器件性能。研究显示，Mg2 Ge-VTFET的导通电流（ION ）、亚阈值摆幅（SS）、阈值电压（Vth ）等关键指标均优于硅基器件，为低功耗集成电路设计提供了新范式。

　　

随着集成电路工艺尺寸的持续微缩，传统金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）面临功耗陡增的挑战。尤其在物联网和便携式医疗设备等领域，对低电压高能效器件的需求日益迫切。隧穿场效应晶体管（TFET）因其独特的能带间隧穿（Band-to-Band Tunneling, BTBT）机制，可实现低于60 mV/dec的亚阈值摆幅（Subthreshold Swing, SS），成为突破玻尔兹曼极限的热门候选。然而，硅基TFET的1.12 eV带隙限制了其在低驱动电压下的性能表现。

针对这一难题，研究人员将目光投向窄带隙半导体材料镁锗化合物（Mg₂
Ge）。该材料在室温下仅0.69 eV的带隙特性，理论上可大幅提升BTBT效率。研究团队通过TCAD工具Silvaco Atlas构建了双栅垂直TFET（DG-VTFET）模型，创新性地将Mg₂
Ge作为源极材料，并与传统硅基器件进行系统对比。

关键技术方法包括：采用非局域BTBT模型模拟量子隧穿效应，结合Shockley-Read-Hall复合模型分析载流子动力学；通过垂直器件结构优化栅极对沟道的控制；利用射频参数分析评估器件的高频特性。

电气性能
能带分析显示，Mg₂
Ge-VTFET在导通状态下的隧穿势垒宽度仅4.8 nm，较硅基器件降低62%。这使得其导通电流（I_ON
）达到0.04 mA，较硅基提升27倍；电流开关比（I_ON
/I_OFF
）高达4.405×10¹¹
，实现两个数量级的飞跃。

射频与线性度
器件展现出优异的射频特性：截止频率（f_T
）提升3.2倍，增益带宽积（GBP）优化42%。三阶交调截点（IIP3）和电压截点（VIP3）指标证实其线性度优势，这对生物传感信号的保真传输至关重要。

结论与意义
该研究首次证实Mg₂
Ge在垂直TFET架构中的适用性，其35.60 mV/dec的平均SS值和0.282 V的阈值电压（V_th
）显著优于传统器件。这些突破不仅为后摩尔时代集成电路设计提供新材料方案，更在植入式医疗电子、环境监测传感器等低功耗场景展现出应用潜力。论文成果发表于《Micro and Nanostructures》，为新型半导体器件研究开辟了新方向。