硅纳米器件组的 Yukinori Morita（高级研究员）以及米乐m6官方网站 (AIST；院长：Ryoji Chubachi) 绿色纳米电子中心合作研究团队、纳米电子研究所（所长：Seigo Kanemaru）的 Yukinori Morita（高级研究员）及其同事演示了具有新架构的合成电场隧道场效应晶体管的运行。

隧道场效应晶体管（隧道FET）是一种基于电子隧道效应的晶体管，原则上可以在比金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）工作电压更低的电压下导通和关断。因此，它的使用有望降低电子设备的功耗。然而，流过隧道FET的电流小于流过MOSFET的电流这一事实一直是隧道FET实际应用中的一个问题。新架构的隧道FET采用新的沟道和电极结构，允许在特定的栅极电压下施加更高的电场，并且其工作电流达到了传统隧道FET的10至100倍。所开发的隧道FET有望有助于降低大规模集成电路（LSI）的功耗。

这项技术的详细信息将在 2013 年 VLSI 技术研讨会上公布，该研讨会将于 2013 年 6 月 11 日至 13 日在京都府京都举行。

采用新架构的隧道 FET 横截面的透射电子显微镜图像

移动设备、高性能个人计算机等电子信息设备的广泛使用以及这些设备处理的信息量的增加导致设备的能耗增加。社会需要降低这些设备的功耗。然而，当今电子电路中使用的 MOSFET 功耗的降低已达到根本极限。

为了突破这一限制，其工作原理与 MOSFET 不同的隧道 FET 正在引起人们的关注。因为原则上隧道 FET 可以在比 MOSFET 工作电压更低的电压下导通和关断，因此使用它的电子电路的功耗有望降低。

合作研究团队绿色纳米电子中心 (GNC) 于 2010 年 4 月成立，旨在实施由日本学术振兴会管理的 FIRST 项目。该团队的成员是来自五家公司（富士通株式会社、东芝株式会社、日立株式会社、瑞萨电子株式会社、爱发科株式会社）的研究人员以及日本综合技术研究所的研究人员。自2011年以来，GNC一直在开发隧道FET和用于操作该器件的紧凑模型，目标是将LSI的功耗降低至传统LSI的1/10至1/100。该研发项目得到了FIRST项目“绿色纳米电子核心技术开发”（首席研究员：横山直树）的支持。

当栅极电压施加到隧道FET的栅极时，由于电场的影响，源极和沟道之间的势垒宽度减小。结果，电子由于隧道效应而穿过势垒，并且电流流过晶体管。基于这一原理，隧道 FET 可以在比传统 MOSFET 更低的电压下接通和关断电流。隧道 FET 的快速开关使得低功耗电子电路的设计能够在较低电压下工作（图 1）。

图1：隧道FET工作电压的降低（左）及其工作原理（右）

但是，由于利用了隧道效应，隧道FET的缺点是通过它的电流比通过MOSFET的电流小。为了有效地获得更高的电流，重要的是向隧道结施加更强的电场。需要高栅极电压来施加强电场，而隧道FET需要在较低栅极电压下工作以降低功耗。相同栅极电压下的场。

图 2 (c) 和 (d) 是采用新架构的隧道 FET 原理图。在高浓度杂质的源极上外延生长非常薄的非掺杂沟道层后，在双层沟道周围放置栅电极，形成三维晶体管。如图 2 (a) 和 (b) 所示，传统的隧道 FET 被设计为仅利用与栅电极电场垂直 (a) 或平行 (b) 的电场效应来打开和关闭电流。在新架构中，垂直和水平电场叠加在高浓度源和非掺杂沟道层之间的三维结构沟道侧壁的界面处，使得可以施加比传统架构更强的电场。研究人员将这种新架构的隧道 FET 命名为合成电场隧道 FET (SE-TFET)。

图 2：隧道 FET 与传统（a 和 b）和新型（c 和 d）架构的比较

图3显示了传统隧道FET和开发的SE-TFET中获得的栅极电压和漏极电流之间的关系。此外，虽然开发的SE-TFET中使用了硅（Si），但新架构可以有效地应用于使用锗或砷化镓等化合物半导体的隧道FET；由此类材料制成的器件的性能超过了由硅制成的器件的性能。未来可以通过设备扩展和材料进步进一步提高性能。

图 3：采用传统架构和新型架构的隧道 FET 中的漏极电流

研究人员将继续优化工艺，以实现互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的低电压运行。此外，他们还打算开发一种比传统隧道 FET 性能更高的 SE-TFET，并通过进一步小型化来降低工作电压。通过结合实验、模拟和电路紧凑模型，他们将研究应用于 CMOS 电路时对电源电压的降低效果。