随着电子技术的不断发展，低功耗和高性能的开关器件成为现代电子计算和通信系统的关键组成部分。场效应晶体管（FET）作为现代集成电路的基本元件，广泛应用于计算、存储和信号处理等领域。与传统的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）相比，近年来，基于二维材料（2D）的异质结器件因其在能效和性能方面的优势，逐渐成为研究热点。然而，传统MOSFET的亚阈值摆幅（SS）受限于60 mV/dec的热力学极限，这限制了其在超低功耗设备中的应用。为了突破这一限制，科学家们提出了多种创新架构，如隧穿场效应晶体管（T-FET）、负电容FET（NC-FET）等，但这些器件仍面临低开态电流（I_on）或低速运算等问题。

　　复旦大学Jing Wan, Ye Lu、周鹏教授团队携手在垂直亚阈值摆幅（VSFET）领域取得了新进展。该团队设计并制备了一种基于硅MOSFET的垂直亚阈值摆幅场效应晶体管（FET），其排水区由石墨烯/硅异质结（Gr-Si异质结）构成。通过引入石墨烯材料，器件在排水端产生了较大的电势降，并通过调节栅电压改变石墨烯的费米能级，进一步扩大了耗尽层，显著增强了电场。这一设计突破了传统硅MOSFET在亚阈值摆幅（SS）方面的瓶颈，使得该器件在6个数量级的漏电流范围内，平均亚阈值摆幅达到了16 µV/dec，几乎无滞后现象，且在室温下垂直亚阈值摆幅的工作电压可低至0.4 V。该器件的优异性能为未来低功耗电子器件的开发提供了新思路。此外，研究团队还成功构建了一个互补的逻辑反相器，通过将陡峭的n型VSFET与p型MOSFET串联，实现在2V供电电压下的电压增益达到311。这一成果展示了该技术在逻辑运算中的潜力。该器件的制造工艺与传统硅工艺兼容，具有较高的应用前景，为低功耗电子设备和能效优化芯片的设计开辟了新的技术路径。。

　　表征解读】本文通过多种表征手段深入研究了硅基垂直亚阈值摆幅晶体管（VSFET）的结构与性能。首先，采用高分辨率透射电子显微镜（TEM）结合能量色散X射线光谱（EDS）对器件的横截面进行了详细观察。通过这些表征，揭示了石墨烯与硅通道之间的异质结结构，以及该异质结在电场增强方面的作用。这一发现为理解电场如何在接近漏极区域显著增强，并提高撞击电离速率提供了关键证据。电场的增强显著提升了器件的开关性能，使得在低至0.4 V的供电电压下，器件能够实现锐利的开关行为和亚阈值摆幅（SS）达到16 µV/dec。

　　此外，本文还通过扫描电子显微镜（SEM）对器件的外观和表面形貌进行了进一步分析。SEM图像确认了光刻和电子束蒸发工艺的精准性，确保了源极和漏极电极的良好定义。这些表征进一步印证了石墨烯的转移与沉积过程，以及在器件中作为漏极的角色。结合SEM结果，作者对石墨烯在VSFET中作为关键组件的功能进行了深入讨论，特别是其在降低亚阈值摆幅和提升器件性能方面的独献。

　　针对器件的电学特性，本文采用了Keithley 2636B和2612B源表进行电流-电压（I-V）特性测量，并在真空探针站中完成。通过这些电学测量，本文进一步揭示了VSFET在低电压下的开关特性，以及器件在六个数量级的漏电流范围内，亚阈值摆幅稳定在16 µV/dec，几乎没有滞后（

　　在微观机理方面，通过TEM和其他表征手段，本文探讨了石墨烯/硅异质结的电场增强效应及其对撞击电离速率的影响。电场的增强不仅改善了器件的开关性能，还使得VSFET在低电压下实现了稳定的开关行为。进一步分析表明，石墨烯在该结构中的作用不仅限于提供电导性，还通过调节界面电场的分布，提升了器件的整体性能。

　　在此基础上，本文还成功地构建了一个基于传统MOSFET和VSFET的互补FET反相器。通过电压增益测试，结果显示该反相器在2 V的供电电压下，展现出高达311的电压增益，证明了器件在低功耗应用中的优越性能。这一研究成果为硅基器件在能效电子学中的应用开辟了新的发展方向。

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