圆形双栅极硅掺杂二硫化钼隧穿场效应晶体管(CDG-Si-doped MoS2-TFET)的增强开关特性及其高速应用研究

本研究针对传统MOSFET存在的亚阈值摆幅(SS)限制和泄漏电流问题，创新性地设计了圆形双栅极硅掺杂MoS2隧穿场效应晶体管。通过材料延伸和几何结构优化，实现了5.8 mV/dec的超陡SS和6.6×1011的ION/IOFF比，兼具优异的静电控制能力和可靠性，为低功耗高速电子器件提供了新方案。

　　

随着半导体器件尺寸逼近物理极限，传统金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)面临亚阈值摆幅(SS)难以突破60 mV/dec的理论极限、泄漏电流剧增等瓶颈问题。隧穿场效应晶体管(TFET)因其基于量子隧穿原理的独特工作机制，被视为突破这一限制的潜在解决方案。然而现有TFET普遍存在导通电流(I_ON)低、开关比(I_ON/I_OFF)不足等问题，制约其实际应用。

针对这一挑战，研究人员创新性地将二维材料MoS₂与圆形双栅极结构相结合，提出了具有革命性设计的圆形双栅极硅掺杂二硫化钼隧穿场效应晶体管(CDG-Si-doped MoS₂-TFET)。该研究通过三项关键创新：首先在沟道区采用硅掺杂MoS₂并延伸至源极区，显著提升载流子迁移率；其次用圆形栅极取代传统矩形栅极，有效消除边缘效应；最后通过能带工程优化实现双向隧穿增强。研究团队采用TCAD仿真工具建立物理模型，结合解析计算验证了表面电势分布，并系统评估了界面陷阱电荷(ITCs)的影响。

Device configuration and simulation methodologies
研究采用3:1层状结构的硅掺杂MoS₂作为核心材料，其1.25 eV的可调带隙特性为器件优化提供了灵活空间。通过Sentaurus TCAD工具建立三维模型，设置合理的物理参数（包括非局域隧穿模型、SRH复合等），并采用网格独立性验证确保结果可靠性。

DC analysis
电学特性测试表明：1) 源区MoS₂延伸使SS改善1.59倍；2) 圆形双栅结构将SS进一步降至5.8 mV/dec，达到目前报道的最低值之一；3) I_ON/I_OFF比提升至6.6×10¹¹，较同类器件提高85.4倍。能带分析显示圆形栅极产生的径向电场可同步调制沟道和源结区势垒。

Conclusion
该研究成功实现了"鱼与熊掌兼得"的性能突破：既保持超陡SS又获得高开关比。解析模型与仿真结果的高度吻合（误差<3%）验证了设计的合理性。特别值得注意的是，器件表现出对界面陷阱电荷的天然免疫力，这对实际应用至关重要。这些突破使CDG-Si-doped MoS₂-TFET成为未来低功耗集成电路和高速电子器件的理想候选，论文成果发表在《Micro and Nanostructures》期刊。

这项研究的科学价值在于：1) 首次将圆形栅极的电场调控优势与二维材料能带工程相结合；2) 建立了适用于复杂几何TFET的解析模型；3) 为后摩尔时代器件设计提供了新范式。其技术突破有望推动物联网、可穿戴设备等低功耗应用的发展，同时为新型存储器和逻辑器件奠定基础。