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随着集成电路芯片集成度进一步提升，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)器件尺寸按照摩尔定律不断缩小，这就使得器件的静态功耗正在变得与动态功耗可比拟。为了降低静态功耗，最为直接的方法是通过增加阈值电压来降低静态功耗，但是高的阈值电压会导致器件的开启电流降低，从而降低了电路的速度。另外，降低静态功率的另一个有效方法是降低亚阈值摆幅(SS)。其中，亚阈值摆幅描述的是在亚阈值区，器件电流改变一个数量级所需的栅极电压变化的大小。虽然降低SS可以降低静态功率，但是由于玻尔兹曼热分布的限制，MOSFETs的SS很难突破60mV/dec的极限，这就大大限制了器件性能的进一步提升。而隧穿场效应晶体管(TFETs)由于其带带隧穿的隧穿机制使得其在理论上够突破60mV/dec的极限，从而被认为在下一代低功耗和高性能的集成电路器件的研发中有着重要的作用。 本论文利用器件仿真技术，在充分研究TFETs各项特性的基础上，设计了能够在低电压条件下工作的锗锡/锗硅锡隧道场效应晶体管(GeSn/GeSiSn TFETs)。由于GeSn具有较小的可调节带隙并且可以发生直接隧穿，再加之它与CMOS工艺相兼容的特点，使得基于GeSn TFETs有更高的开启电流。相比于同质结的GeSn TFETs，通过异质结工程设计的GeSn/GeSiSn TFETs具有能够增大开启电流，降低亚阈值摆幅，减小关态电流的优点。 为了对GeSn TFETs进行更加深入的研究，本文首先设计了一种双栅极δ层掺杂的N+-Ge1-xSnx/N-Ge1-y-zSiySnz/P+-Ge1-y-zSiySnz异质结p型隧道场效应晶体管(PTFET)，并对其进行了器件仿真，详细地研究了Ge1-xSnx和Ge1-y-zSiySnz的不同组成对器件性能的影响，并对δ层进行了优化。研究发现在源区采用窄带隙Ge1-xSnx材料和漏区采用宽带隙Ge1-y-zSiySnz材料组合的方式有利于增加开启电流(ION)，并抑制双极效应。在研究中发现，与其它结构相比，Ge1-xSnx中的P+δ层掺杂恩能够显著提高PTFET的性能。在VDS=-0.5V，VGS=-1.0V的电压下，所设计的器件实现了69.56μA/μm的开启电流ION和22mV/dec的亚阈值摆幅SS。 在此基础上，本文对四个双栅极n型隧道场效应晶体管(NTFET)的模拟(Analog)和射频(RF)性能进行了器件仿真。系统性的比较了Ge同质结，GeSn同质结，GeSn/Ge异质结和GeSn/GeSiSn异质结，四种不同NTFETs的直流，模拟和射频性能。本文发现在器件性能方面，与Ge同质结NTFET相比时，GeSnNTFET在直流性能方面得到明显提升，开启电流ION明显增加，平均亚阈值摆幅SS显著降低，并且获得了更大的开关比(ION/IOFF);而在模拟和射频性能方面，GeSnNTFET的跨导gm大幅增大，截止频率fT和增益带宽积GBW均显著提高。此外，GeSn/GeSiSn异质结NTFET能够明显地抑制双极性漏电流，使得器件能够更容易的实现在保证低功耗工作的同时，具有高的截止频率fT和增益带宽积GBW，以及最大的固有增益Av。通以上模拟实验，本文证明了GeSn/GeSiSn异质结NTFET在模拟和射频领域的实际应用中有很大的前景。 本文还发现将沟道长度缩小到10nm时，传统的Ⅱ型Ge0.90Sn0.10/Ge0.43Si0.37Sn0.20单异质结1H NTFET会发生短沟道效应，从而影响器件的性能。这一问题虽然可以通过漏区浅掺杂技术降低了关态电流IOFF和亚阈值摆幅SS，从而得到一定性能上的改进，但是其IOFF仍然需要进一步降低。此外，该方法的ION相对较低，并且亚阈值摆幅SS仍然大于60mV/dec。为了解决这些难题，本文提出了一种新型的Ⅱ型Ge0.90Sn0.10/Ge0.43Si0.37Sn0.20/Ge0.67Si0.18Sn0.15双异质结2H NTFET。通过研究发现在沟道长度为10nm、工作的电压为0.3V时，器件的关态电流IOFF可以下降到3.67×10-10A/μm，亚阈值摆幅SS的最小值则可降到27.21mV/dec，同时其ION也得到了显著的提升，大约为1H NTFET的7.6倍。在此基础上，为了进一步探讨NTFET器件在10nm以下节点的可能性，本文还研究了短尺寸下的NTFET性能特性。通过研究发现，当沟道长度降低到7nm和5nm时，1H NTFET的性能会发生严重的退化;而与之相对2H NTFET在7nm和5nm时仍然表现出优异的性能。沟道长度为7nm和5nm时，2H NTFET的关态电流IOFF是1H NTFET的三分之一，开启电流ION是1H NTFET的六倍以上，亚阈值摆幅SS的最小值可以降低到40mV/dec。因此，Ⅱ型Ge1-xSnx/Ge1-y-zSiySnz/Ge1-y-zSiySnz双异质结2H NTFET有在未来十年的10nm及以下技术节点具有广阔的应用前景。 最后，本论文还对器件制作工艺进行了研究，重点研究了n型和p型Ge1-x-ySixSny的欧姆接触。在n型欧姆接触方面，本文通过磁控溅射外延Sb原位掺杂技术成功生长了N型Ge1-x-ySixSny三元合金。比较了经过磷注入和未经过磷注入n-Ge1-x-ySixSny的欧姆接触电学特性。通过研究，本文发现，n-Ge1-x-ySixSny在400℃下快速退火条件下，经过磷注入后的形成的Ni(Ge1-x-ySixSny)合金的电学特性表明成功形成了n-Ge1-x-ySixSny的欧姆接触，的欧姆接触比接触电阻率ρc约为1.01±0.01×10-3Ω·cm-2。通过二次离子质谱(SIMS)的分析发现，欧姆接触的形成主要是由于于金属半导体接触界面的磷偏析。 在p型欧姆接触方面，本文通过磁控溅射技术成功在Ge1-xSnx和Ge双缓冲层上生长了出了单晶Ge0.86Si0.07Sn0.07薄膜。详细研究了Ni/p型Ge0.86Si0.07Sn0.07的比接触电阻率(ρc)。在350℃退火后，在p型Ge0.86Si0.07Sn0.07上已经证明了具有约1.96×10-6Ω·cm-2的比接触电阻率ρc的良好的欧姆接触。经过Ni(Ge1-x-ySixSny)/p型Ge0.86Si0.07Sn0.07的空穴的肖特基势垒高度(SBH)的测量，发现低的p型Ge0.86Si0.07Sn0.07的欧姆接触比接触电阻率ρc主要是由于Ni(Ge1-x-ySixSny)合金的形成。