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自半导体场效应晶体管发明至今,随着器件尺寸的不断微缩化,器件性能与芯片集成度得到了巨大提升。近年来,以摩尔定律为指导的半导体产业已经进入了亚10nm技术节点。在超高集成度和纳米尺寸下,传统金属氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET）器件的短沟道效应和栅极泄漏电流等问题日益严重,由此引起的功耗问题已逐渐成为制约集成电路发展的主要瓶颈。减小晶体管工作电压（VDD）是降低器件功耗的有效手段,但器件转移特性曲线中亚阈值摆幅（subthreshold swing,SS）受热力学限制而存在理论极限（室温下约60 mV/decade）,这使得单纯通过减小工作电压来降低功耗的策略具有很大的限制。为了进一步实现晶体管性能的提升,我们需要全面探索与现有工艺相兼容的低功耗晶体管器件的新材料与新设计。该研究课题围绕着具有陡峭亚阈值摆幅（又称陡阈值摆幅）特点的新型冷源场效应晶体管（cold source FET,CS-FET）展开,结合其特殊物理机理,从材料、结构、工艺等多方面对CS-FET器件的设计和优化进行了探索研究。本课题基于第一性原理方法,由异质结结构冷源晶体管入手,重点讨论了 CS-FET的工作原理、研究了潜在的冷源电极材料;从源极掺杂方式入手,提出了同质结结构的隧穿冷源晶体管,简化了冷源器件结构并提高了工艺实现的可行性;从全局态密度调控入手,提出了孤立态冷源晶体管,使冷源器件结构得到进一步优化,也拓展了冷源器件的设计思路。具体研究内容及主要结论如下:首先,针对异质结结构的CS-FET,本文基于量子输运模型和第一性原理计算,从源极材料的选择设计、掺杂方式和结构优化等方面对基于二硫化钼（MoS2）和二硒化钼（MoSe2）的p型CS-FET进行了系统研究。我们从源极态密度（density of state,DOS）入手,筛选并设计了多种潜在的可用于垂直异质结结构的冷源源极材料,包括石墨烯（graphene）、T 相过渡金属二硫化物（Tphase transition metal disulfide,T-TMD）、n 型掺杂硅（Si）和MoS2半导体、以及可自过滤玻尔兹曼热尾的“冷金属”材料。此外,我们以graphene-MoS2器件为例,讨论了 CS-FET源极结构和掺杂工艺的优化,计算结果表明:1)源极DOS与能量的特定关系可实现玻尔兹曼热尾的超指数衰减,这是冷源器件SS实现低于60 mV/decade的必要条件;2)利用n型掺杂Si/MoS2作为p型CS-FET源极,可构建具有陡阈值摆幅的器件;3)采用具有特定能带结构的“冷金属”材料可自发切除玻尔兹曼热尾,实现陡阈值开关特性;4)优化源极异质结结构和掺杂浓度可以进一步提高CS-FET开关性能。其次,针对同质结结构CS-FET,本文提出了一种PN隧穿结作为源极的新型陡峭场效应晶体管,称为隧穿冷源场效应晶体管（tunneling CS-FET,TCS-FET）。从工艺制备上来看,本文所提出的TCS-FET依赖于源极的n+/p+同质结,不会带来额外的工艺复杂性,相对于垂直异质结结构更利于器件工艺制备。该器件通过精确控制源极导带和价带（ΔEC-V）之间的能量隧穿窗口截断玻尔兹曼热尾进而实现器件的快速开断,且源极隧穿窗口与栅极电压无关。此外,我们进一步探究了源极掺杂浓度和PN结界面缺陷对器件性能的影响,结果表明:1)PN隧穿结作为源极可以截断玻尔兹曼热尾,使器件输运突破热力学极限;2)改变掺杂浓度可以平衡SS和ION/IOFF的关系,更大的ΔEC-V导致SS退化,更小的ΔEC-V导致ION/IOFF降低;3)PN结界面缺陷可以有效调节TCS-FET性能,我们以基于MoS2的TCS-FET器件为例,界面处具有Mo原子空位缺陷（VMo）和S原子空位缺陷（Vs）的器件,SS和ION/IOFF都得到了提升。最后,为了进一步优化冷源器件设计,本文提出了一种利用材料本征孤立态（isolated states,IS）来突破热载流子极限的新型陡阈值摆幅场效应晶体管,称为孤立态晶体管（IS-FET）。IS-FET要求费米能级附近的导带或价带相对孤立,即与其他能带没有交叠,这有助于将载流子在输运过程中限制在较窄的能量范围内,进而切除玻尔兹曼热尾,降低器件功耗。研究发现,单层C31材料和TMD纳米带（nanoribbon,NR）均具有相对孤立的能带结构,因此我们基于单层C31和TMD NRs构建了一系列IS-FETs,并分别通过应变工程和边缘钝化调节孤立态和器件性能,结果表明:1)可利用应力效应调控C31材料的孤立态宽度和带隙,理论上验证了孤立态输运可打破器件输运热力学限制,实现陡阈值摆幅开关特性;2)可利用器件源漏偏压调控IS-FET的亚阈值区特性,但过大偏压有可能导致源漏态密度失配,影响器件开态电流;3)不同边缘钝化（氢原子、氟原子以及氢氧原子钝化）的纳米带,具有不同的孤立态宽度和带隙大小,以MoS2纳米带为例,氟原子钝化后的纳米带器件表现出更优秀的开关性能;4)纳米带宽度、器件沟道长度（Lc）、源漏偏压（VDS）、粗糙度和缺陷也是影响器件性能的重要因素。本课题采用密度泛函理论结合非平衡格林函数的第一性原理方法,基于冷源器件工作原理,设计并提出了一系列不同结构的冷源晶体管,从异质结电极材料、同质结源极掺杂以及全局孤立态调控三个层面全面探究了冷源晶体管结构和性能的优化方案,设计了具有超陡阈值摆幅和大电流开关比的高性能CS-FET。本课题的研究结果为探索下一代新型低功耗纳米电子器件拓宽了研究思路并提供了关键理论技术,具有重要的研究意义和应用价值。