本研究首次在 石墨烯/InGaZnO（IGZO）冷源场效应晶体管（CSFET）阵列中实现了 亚 60 mV/dec 的超陡亚阈值摆幅（SS）。石墨烯具有狄拉克锥型线性色子态密度（DOS），可抑制其与 IGZO 界面处玻尔兹曼热尾效应，使电子密度随能量增加呈现超指数衰减，从而获得极低的关断电流与超陡SS。特别地，通过引入 低体因子（body factor）HfO₂ 高介电常数栅介质，可更有效地调控表面势，将 SS 进一步降低约 46.4 mV/dec。更重要的是，在 8×8 阵列中实现了 ≈89.1% 的亚 60 mV/dec SS 一致性，并取得了相较于以往氧化物半导体晶体管纪录更低的 23.66 mV/dec。所提出的 IGZO 冷源晶体管器件有望推动高速、超低功耗电子电路的发展。
通过缩小器件尺寸，硅基金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的性能得到了显著提升。然而，降低电源电压（VDD）的尝试受到热限制的亚阈值摆幅（SS）的制约，在室温下，SS 无法低于 60 mV dec-1。 SS的这一下限（60 mV dec-1）是由于源极内电子的能量分布超过了势垒所致。这种能量分布通常由费米能级以上的热玻尔兹曼分布决定。传统器件性能的局限性凸显了开发新型场效应晶体管（FET）器件的必要性，以利用新的工作原理实现更陡峭的亚阈值摆幅（SS），包括隧道场效应晶体管（T-FET）、负电容场效应晶体管（NC-FET）和碰撞电离场效应晶体管（I-FET）。其中，T – FET器件依赖于带间隧穿进行开关操作；然而，其低导通电流密度仍然是一个挑战。另一方面，NC-FET由于栅极电压放大效应（归因于栅极介质的铁电效应）而能够实现更低的SS。然而，薄铁电层的一个显著缺点是它们会可靠地诱导负电容效应，导致迟滞较窄。最后，I-FET 可以通过雪崩击穿将亚阈值摆幅(SS) 显著降低至 60 mV dec⁻¹ 以下，这种雪崩击穿是由碰撞电离效应驱动的，但这种机制通常需要较高的漏极电压才能产生足够的离子。这一要求对同时实现高能效和高性能构成了重大挑战。在此背景下，人们提出了冷源场效应晶体管 (CSFET)，以在保持其他晶体管性能指标的同时实现低于 60 mV dec⁻¹ 的开关特性。当采用态密度（DOS）呈线性递减的金属材料作为n型场效应晶体管（FET）的源材料时，费米能级附近由此产生的局域电子分布能够有效阻止热电子流入半导体沟道，从而实现超陡开关特性。由于这种注入机制基于源极到沟道的热辐射，因此CSFET中能够维持较大的驱动电流。此前已有报道采用一维碳纳米管或二维MoS₂作为沟道，并以石墨烯作为冷源的CSFET器件。Xiao等人报道了基于石墨烯/碳纳米管结的n型狄拉克源FET，其室温下亚阈值摆幅（SS）低至37 mV dec⁻¹。Liu等人报道了基于石墨烯/MoS₂结的FET，其最小SS为29 mV dec⁻¹。尽管亚60 mV dec⁻¹ SS的开关性能十分出色，但互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容材料和制造工艺方面的实际问题仍未得到解决。在这方面，铟镓锌氧化物（IGZO）半导体沟道有望成为CSFET器件的理想候选材料，并可实现晶圆级集成。然而，尽管IGZO半导体具有高迁移率和低关断电流，但仍需进一步推进技术进步，实现更陡峭的开关特性，以提升IGZO FET的电性能。因此，在基于IGZO的阵列晶体管单元中采用冷源概念对于实现大规模、高能效的开关电子器件至关重要。
本研究首次展示了以石墨烯为冷源的IGZO CSFET 8×8阵列器件的亚60 mV dec⁻¹超陡开关特性。采用高介电常数HfO₂作为栅极介质，在室温下，0.5 V电源电压下，石墨烯/IGZO CSFET的亚阈值摆幅(SS)降低了23.66 mV dec⁻¹。HfO₂介质优异的栅极效率和更低的体因子进一步降低了CSFET的SS值。此外，统计验证表明，8 × 8 IGZO/HfO₂ CSFET阵列的平均SS为46.4 mV dec⁻¹，证实了大规模集成超低功耗CSFET器件的可行性。我们的研究成果有望为大规模超低功耗电路及其应用奠定基础。
图1 a) 单层石墨烯基IGZO CSFET的制备工艺和器件结构示意图。b) 集成Al₂O₃栅极介质的石墨烯/IGZO CSFET的光学显微镜(OM)图像，以及石墨烯/栅极重叠结构的放大图像。c) 石墨烯/IGZO/ HfO₂ /SiO₂垂直堆叠结构的横截面透射电镜(TEM)图像。d ) 石墨烯/IGZO层中C 1s核心峰的X射线光电子能谱(XPS)解卷积图。e) 转移态石墨烯的拉曼光谱。
文章链接： https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202510618
文章标题：Chip-Scale Graphene/IGZO Cold Source FET Array Enabling Sub-60 mV dec−1 Super-Steep Subthreshold Swing
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