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—— 第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼 ——
北京大学信息科学技术学院黄如教授课题组基于长期工作积累，围绕集成电路发展中的功耗瓶颈问题，提出了一种动态混合控制新型器件工作原理，提出并研制出可大规模集成的新型梳状栅杂质分凝隧穿器件，为超低功耗电路系统发展提供了新思路和解决途径，相关论文在国际电子器件会议（IEDM）上发表。该课题组已与我国最大最先进的集成电路制造公司中芯国际进行了深入技术合作。
随着电子系统的发展，物联网节点芯片、生物医疗芯片、可穿戴设备等便携式和植入式芯片需求快速增长，在电子产品中占据越来越高的比例，这类系统对芯片功耗有着苛刻要求，超低功耗集成电路技术备受关注。目前，主流芯片中的组成器件——金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）由于受热力学限制，器件的亚阈摆幅存在理论极限（室温下最小达60 mV/dec，mV/dec为毫伏/倍频程），使得以传统MOS晶体管为基础的集成电路芯片功耗降低面临严峻挑战。解决这一问题的重要途径就是抛开原有MOS器件机理，采用新工作原理实现超陡亚阈摆幅器件。隧穿场效应晶体管是一种基于带间量子隧穿导电机制的场效应晶体管，理论上可以实现超陡亚阈摆幅，近年来受到广泛的关注。然而，常规硅基隧穿晶体管的开态电流较小，且实验上很难制备出具有陡亚阈摆幅的器件，虽然采用窄带隙材料可以提高开态电流，但亚阈摆幅和泄漏电流退化严重。
黄如课题组长期致力于低功耗器件及关键技术研究，近年来在国际上率先提出肖特基-隧穿动态混合控制新型工作机理和T型栅/梳状栅肖特基-隧穿晶体管，以解决上述困扰该领域多年的难题。提出的新器件开态电流由肖特基注入电流主导，相比常规隧穿器件可得到很大的提升；同时通过临近结的自耗尽效应来有效抑制关态电流；仅在开关转换区采用带间量子隧穿来实现超陡摆幅，这种内秉机理从根本上避免了隧穿器件在导通态电流过低的问题，能实现更高的开态电流和更低的亚阈摆幅，并保持极低的关态电流。器件制备与CMOS工艺兼容性好，研制出的梳状栅杂质分凝隧穿晶体管将亚阈摆幅减小至29mV/dec，是硅基晶体管国际报道最低值；且开态电流相比常规隧穿器件提升2.5个数量级，开关电流比值提升至8个数量级（>108），解决了硅基隧穿器件开态电流小和输出非线性开启的瓶颈问题，同时在低压工作下具有更低的密勒电容、延迟时间和噪声幅度，器件综合性能为同期国际报道同类器件最高。隧穿器件技术转移到中芯国际公司，在中芯国际生产线上推进研发，以期为我国有自主知识产权的超低功耗集成电路技术发展奠定重要基础。
该研究成果得到国家自然科学基金创新研究群体项目的资助。
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