随着器件特征尺寸进入纳米领域并不断缩小,日益增大的静态功耗已经成为制约集成电路发展的重要因素。现有的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）已经很难兼顾高性能和低功耗的要求,所以设计新型器件来延续摩尔定律是后摩尔时代的必然发展趋势。研究表明,减小器件的亚阈值摆幅是降低静态功耗的有效途径。隧穿场效应晶体管（TFET）基于带间隧穿机制可以突破传统MOSFET中2.3KT/q的亚阈值摆幅限制,且具有超低关态电流、可工作于超低工作电压、与MOSFET制造工艺相似等优点,被ITRS预测为将是替代Fin FET的下一代晶体管模型。Ⅲ-Ⅴ族化合物为直接带隙材料,具有较低有效电子质量、禁带宽度可调、易于形成不同类型的异质结等优势,应用其研制的TFET能显著提高器件特性,从而受到研究者们的关注。纳米尺寸下,传统Ⅲ-Ⅴ族TFET器件会面临诸多问题,比如:1)源区和漏区进行掺杂时,掺杂原子在高温下容易扩散到本征沟道中,难以在源区和沟道区之间形成陡峭的PN结;2)沟道中杂质原子分布不均匀引起随机掺杂波动;3)异质结界面晶格失配在源/沟道界面引入固定电荷等。这些问题均会引起器件特性的退化,从而使得实验室制备的Ⅲ-Ⅴ族TFET的器件特性与理论预期相差甚远。为了避免这些问题并进一步提高器件的直流和射频特性,本论文提出了三种新型的Ⅲ-Ⅴ族TFET器件,并基于Silvaco-Atlas仿真平台对这三种器件进行数值仿真,研究它们的器件特性。本文的主要研究工作和创新成果如下:（1）提出一种具有异质栅电介质的InGaAs/InAlAs无掺杂TFET（HDL-TFET）。基于电荷等离子体原理,通过改变栅下源边沟道中In_0.53Ga_0.47As材料的长度(L_sc)可以在HDL-TFET中形成一个浓度和宽度可变的N⁺-pocket。N⁺-pocket的存在可以提高隧穿结处的电场,更利于电子的隧穿,更重要的是它的形成不需要采用双材料栅或者离子注入工艺,从而简化了器件的制造工艺。研究表明,L_sc=4 nm时HDL-TFET具有最优的直流特性。相对于具有相同结构参数的Si-DL-TFET而言,HDL-TFET的开态电流(I_ON)提高了五个数量级,平均亚阈值摆幅(SS_avg)降低了59%。此外,In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As异质结的使用可以有效抑制漏致势垒降低效应和双极电流。通过对射频特性的研究可以发现,HDL-TFET在栅偏压和漏偏压均低于0.5 V时即可获得最优的频率特性,且其截止频率、最大振荡频率和增益带宽乘积均远高于Si-DL-TFET在相对更高偏压下获得的相应最优射频参数值。通过研究源漏电极结构对HDL-TFET器件特性的影响可以发现,采用双电极结构可以消除单电极结构引起的底栅附近载流子分布不均衡的现象,从而增强底栅附近电子的隧穿,最终提升器件的直流和射频特性。（2）提出一种具有Pt金属嵌入层的双金属栅InGaAs无掺杂TFET（MSDG-TFET）。数值仿真结果表明,MSDG-TFET中Pt金属嵌入层和隧穿栅的同时引入可以显著增强隧穿结处的电场,减小横向隧穿距离和寄生栅电容,从而提高器件的特性。研究金属嵌入层功函数对器件特性的影响发现,Pt金属嵌入层可以使器件的隧穿结朝着栅电极方向移动,有利于增强外加栅压对隧穿结的影响,从而更利于电子的隧穿。此外,Pt金属嵌入层的存在使得MSDG-TFET对隧穿栅功函数(Φ_M4)的变化十分敏感,其直流和射频特性会随着Φ_M4的减小而显著提高。考虑到工艺制备中金属嵌入层淀积可能存在错位的情况,通过仿真研究金属嵌入层左右两端变化对器件的影响。研究发现,金属嵌入层左端位置L₁的左右移动对直流性能影响很小;只有当金属嵌入层的右端位置L₂左右移动不超过2 nm时,所提出的MSDG-TFET才能具备较好的器件特性。（3）提出一种InGaAs/InAlAs/InGaAs无结TFET（JL-TFET）。JL-TFET利用In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As异质结产生的二维电子气（2DEG）作为N⁺沟道层,不但避免了传统无结TFET沟道中由于杂质原子的不均匀分布而产生的随机掺杂波动,而且还解决了传统无掺杂TFET中由于源极和栅极间存在高隧穿势垒而阻碍载流子隧穿的问题。相对于传统无掺杂TFET来说,JL-TFET沟道层中的2DEG可以减小隧穿结处的横向隧穿距离、增大可用于隧穿的能量范围,从而提高器件特性。在此基础上,研究了In_0.52Al_0.48As掺杂层的掺杂浓度、In_0.53Ga_0.47As沟道层的厚度以及栅源电介质材料对JL-TFET器件性能的影响。研究结果表明,掺杂层的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3、沟道层厚度为2 nm以及在栅源下采用高K电介质Hf O₂可以获得最优的器件特性。通过研究In_xGa_1-xAs沟道中In组分变化可以发现,随着In组分的增大,I_ON和I_OFF均增大,V_th呈现单调递减的趋势,SS_avg展现出先减后增的趋势。可见,在实际应用中沟道中In组分的选取非常关键。