综述：对先进TFET架构的严格比较研究：从器件创新到传感器应用

《Micro and Nanostructures》：A Rigorous Comparative Review of Advanced TFET Architectures: From Device Innovations to Sensor Applications

基于隧穿场效应晶体管（TFET）的架构创新、材料优化及CMOS兼容性研究，系统分析了掺杂调控、异质介电层、二维材料等关键技术，并对比了不同架构的电性能与传感灵敏度。提出各分类下最优TFET方案，为超低功耗电子器件和传感器设计提供理论指导。

　　

Mohammad K. Anvarifard | Zeinab Ramezani

*伊朗吉兰大学东吉兰技术与工程学院工程科学系，鲁德萨尔，瓦贾尔加赫

摘要：

本文对近年来研究中最重要的隧道场效应晶体管（TFET）架构进行了全面而严谨的综述。我们系统地、分层地分析了基于多种工程方法的TFET，包括掺杂调制、材料创新、铁电诱导的负电容、异质介质栅极形成、重叠/交叠技术、无结设计以及垂直配置。从与CMOS工艺兼容性的角度来看，研究重点主要放在基于体材料/SiGe的TFET和垂直TFET上，同时也探讨了使用二维（2D）材料的TFET，这些材料由于能够更好地控制短沟效应而在超大规模应用中至关重要。此外，本文还深入探讨了新型TFET作为高灵敏度生物传感器和气体传感器的潜力，并详细比较了它们的电气性能和传感能力。研究强调了每种TFET类别的固有优势和局限性，有助于我们全面理解其性能权衡。通过广泛的比较分析，我们确定了每种TFET类别中在电气性能方面表现最佳的器件，为VLSI设计师在选择适合特定应用需求的TFET时提供了有价值的指导。同时，还选出了所有类别中最佳的TFET器件，为电路和工艺工程师基于高性能架构进行设计提供了实际路径。这项工作不仅巩固了现有的知识，也为基于TFET的传感器技术和纳米级电子设备的未来发展铺平了道路，突显了器件架构和材料选择在推动下一代集成电路发展中的基础性作用。

部分摘录

引言

隧道场效应晶体管（TFET）作为一种极具前景的半导体器件类别，因其潜在优势而受到了广泛关注[1]、[2]、[3]。事实证明，TFET能够克服传统金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）在超低功耗电子器件中的根本局限性[4]、[5]。与基于热电子发射在势垒上工作的MOSFET不同，TFET利用了量子力学原理。

基于仿真的TFET研究的局限性

大多数讨论的TFET器件依赖于纯粹基于仿真的TCAD/NEGF模型，这些模型假设了理想化的条件：弹道传输（无散射）、完美的界面（无缺陷）、无变化性（完美均匀性）以及理想的铁电行为（无滞后现象），而这些在相关文献中很少受到质疑。在掺杂工程中，口袋掺杂假设激活效果完美，但RDF会导致阈值电压偏移±50 mV，并且亚阈值性能会下降（+10-15 mV/dec）[59]。

TFET架构创新

本节对不同的TFET架构进行了全面评估和分析，涵盖了掺杂工程、重叠/交叠栅极工程、材料创新、异质介质栅极结构、垂直配置以及基于二维材料的设计。我们深入探讨了每种架构的优点和局限性，并通过严格的电气性能参数比较，确定了最有效的器件。

结果与讨论

在前一节中，我们对基于TFET的不同类别的器件进行了详细的比较分析，旨在提升其电气性能。在报告的条件下，选出了每个类别中表现最佳的TFET器件作为最优架构。这些器件包括DSSD-PNPN TFET [70]、DDG-GOHJL TFET [75]、H-JL TFET [77]、异质介质TFET [86]、DMDG-NC TFET [91]、VZS TFET [106]和DE-DG GNR TFET [109]等。

TFET的可制造性和与CMOS的集成性

垂直TFET已在实验室中实现（IMEC SiGe V-TFET I_ON=50 μA/μm [120]），而JL-TFET则展示了纳米级器件（IBM I_ON=20 μA/μm [121]）；二维（2D）、非晶（NC）和异质结构仍停留在仿真阶段。掺杂工程采用标准离子注入和快速热退火（RTA）工艺，但RDF限制了器件尺寸缩小到20 nm以下[59]。重叠/交叠技术需要与成熟的FinFET工艺相当的±2 nm栅极间距精度[60]。材料工程要求选择性地进行Ge外延生长，同时控制缺陷密度在10⁶ cm^-2以内，这可能会对Si CMOS工艺造成影响。

结论

本研究对多种TFET架构进行了全面而系统的综述，涵盖了掺杂和材料工程、铁电及异质介质栅极创新、无结设计、栅极重叠/交叠策略、垂直器件配置以及二维材料集成等方面。通过对比分析，我们确定了每个类别中的领先器件，为根据具体应用需求选择器件提供了全面的框架。

CRediT作者贡献声明

Mohammad K. Anvarifard：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、监督、软件开发、概念构思。Zeinab Ramezani：撰写 – 审稿与编辑、数据验证、监督、研究工作。

利益冲突声明

无利益冲突声明，亦无资金支持。