北京大学电子学院司佳-张志勇团队发明范霍夫冷源晶体管

随着集成电路不断向先进节点演进，降低功耗已成为后摩尔时代信息处理系统面临的核心挑战之一。传统硅基金属‑氧化物‑半导体晶体管（MOSFET）的亚阈值摆幅（subthreshold swing, SS）受玻尔兹曼分布限制，在室温下难以突破60mV/dec。这一物理极限使得工作电压V_dd无法进一步降低，功耗随器件尺寸微缩而趋于瓶颈。

近日，北京大学电子学院碳基电子学研究中心和纳米器件物理与化学教育部重点实验室的司佳助理研究员-张志勇教授团队提出并实验验证了一种范霍夫（van Hove）冷源晶体管（VHS FET）。该器件利用准一维半导体在范霍夫奇点附近态密度陡降的特性，可以通过电化学掺杂或电场调控将源区费米能级精确调至某个范霍夫奇点附近，构建“冷源”（图1）。这种源和沟道采用同一种准一维半导体材料而形成同质结的方案，能够直接注入冷载流子，减少界面散射，同时简化了器件结构并利于尺寸微缩。

图1：VHS FET的概念及载流子分布

研究团队选择半导体型碳纳米管来构建范霍夫源和沟道（图2）。在这种器件中，主栅负责开关控制，辅助控制栅则精确调节源区费米能级。当费米能级靠近碳纳米管的范霍夫奇点时，源态密度随能量急剧下降，高能载流子被有效过滤，形成陡峭的热发射开关（图3）。实验结果表明，基于单根碳纳米管构建的VHS FET在室温下实现了49mV/dec的亚阈值摆幅，显著突破玻尔兹曼极限。在450nm栅长和0.5V的工作电压下，该器件的归一化开态电流与22nm节点硅基晶体管相当，而工作电压比硅基器件低0.25V（图4）。这一结果表明，范霍夫源不仅能够实现亚60mV/dec的陡峭开关特性，还可兼顾高电流驱动能力，为发展新一代超低功耗陡坡晶体管提供设计思路。

图2：CNT VHS FET场效应晶体管的工作模式

图3：冷源工作区间内VHS FET的性能优化

图4：CNT VHS FET的性能对标与尺度微缩潜力

相关成果以题为《用于超低功耗场效应晶体管的范霍夫源》（“van Hove Source for Ultralow Power Field‑Effect Transistors”）的论文于12月17日在线发表在ACS Nano。论文第一作者为北京大学电子学院2021级博士研究生何百哲，司佳和张志勇为共同通讯作者。合作者还包括北京大学集成电路学院研究员刘飞、清华大学教授姜开利、浙江大学教授金传洪、北京量子信息科学研究院研究员裴天和北京大学量子材料科学中心研究员卢晓波。该研究获得了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助支持。