按照摩尔定律，硅互补金属氧化物半导体器件的尺寸现在已经缩小到7nm，在硅器件的规模逐渐接近其基本极限的同时，也出现了越来越多的挑战。制造更小更好的硅晶体管越来越困难。引入高迁移率窄带隙的非硅沟道材料来提高器件性能是后摩尔时代新器件的主要发展方向之一。锗、二维黑磷、InGaAs等半导体具有较窄的禁带宽度以及优异的载流子迁移率，适合做成高速低功耗器件。然而，由于高k栅介质与这三种窄带隙半导体的界面陷阱较多，稳定性较差，严重限制了器件的最终性能。
　　本文系统地研究了基于三种高迁移率窄禁带半导体材料的晶体管的电学性能和稳定性，如：锗、二维黑磷、一维InGaAs环栅纳米线。研究内容主要包括以下几个方面：
　　1、利用沟道和源/漏技术对硅基锗CMOS器件和电路进行了深入研究，并设计栅堆栈、锗nMOSFETs和pMOSFETs使其显示出接近对称的电学性能。对10～90nm范围内变沟道长度的锗全耗尽CMOS器件和电路进行了系统的研究。在1.6到0.2V的电压范围的CMOS反向器中实现了近对称性能和良好电压转换的nMOSFETs和pMOSFETs。同时研究了锗nMOSFETs和pMOSFETs的偏压温度不稳定性，观察到锗pMOSFETs的阈值电压与经典NBTI现象相反，并提出了物理模型来解释其机理。同样研究了锗CMOS反向器在交流信号下稳定性问题，发现了锗CMOS反相器在长期工作后具有一定的电流稳定性和电压不稳定性。
　　2、黑磷是一种新型的二维半导体材料。由于超薄二维黑磷半导体材料在大气中会迅速氧化并降解，因此，研究黑磷器件的首要工作是研究如何阻止这种氧化。利用X射线光电子能谱数据对黑磷的表面氧化反应进行了深入的研究，并探讨了其反应机理。在5%O2/Ar、2.3%H2O/Ar、5%O2/Ar与2.3%H2O/Ar混合气体三种条件，20℃下对黑磷氧化进行了表征。结果表明，水通过与表面氧化物的反应加速了黑磷的氧化，从而为氧对磷的解离创造了条件。具有0.8nm铝保护层的黑磷少层场效应晶体管比直接用三甲铝和水沉积的晶体管具有更高的迁移率和输出电流。同样，六方氮化硼h-BN钝化也有助于保持黑磷良好的传输特性。研究结果表明黑磷样品应保存在无水环境下，也为无水前驱体沉积ALD介电钝化或手套箱环境下形成的h-BN钝化的原子层沉积提供了依据。
　　3、围绕一维环栅InGaAs纳米线晶体管，介绍了InGaAs环栅纳米线晶体管的关键制备工艺，并从300K到4.3K的温度范围内对InGaAs环栅纳米线晶体管的电学性能进行了系统的研究。在变温测试部分重点研究了器件的温度依赖性、阈值电压、漏感势垒降低和亚阈斜率随温度的变化。对准一维器件的不同温度环境下的接触电阻和有效沟道迁移率进行了提取，并对准一维器件的载流子迁移率进行了分析。最后研究了一维InGaAs纳米线晶体管的低频噪声性能，分析了其低频噪声物理机制及其表面缺陷态特征，结果显示该器件的1/f噪声主要来源于接触电阻。