金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）通过引入新型沟道材料和新型高κ栅介质,可以提升器件性能,以满足未来先进集成电路应用的需求。锗（Ge）沟道比硅（Si）具有更高的空穴迁移率,适用于p沟道器件。栅介质采用高κ介质可使MOSFET尺寸持续缩减的同时减小栅泄漏电流。另一方面,栅介质采用铁电介质的铁电场效应晶体管（Fe FET）,可实现铁电非易失性存储器和神经突触器件。ZrO2材料具有高介电常数,同时具有（反）铁电性。因此,本论文以ZrO2为栅介质,对Ge基MOSFET和Fe FET做了系统研究,主要研究成果如下:1、ZrO2栅介质Ge p MOSFET和p Fin FET首先,研究栅介质沉积后退火（PDA）和金属化后退火（PMA）对ZrO2栅介质Ge p MOSFETs电学性能的影响。未经PDA处理的晶体管,随着PMA温度升高,ZrO2介质发生结晶,ZrO2结晶化有助于提高ZrO2的介电常数,降低界面态密度(Dit),减小等效电容层厚度（CET）和亚阈值摆幅（SS）,提升有效空穴迁移率(μeff)。与未经PDA处理的器件相比,在400 ℃下进行PDA处理的Ge p MOSFETs具有更低的CET和陡峭的SS。然后,利用2.5 nm ZrO2栅介质结晶化实现了超薄CET的高迁移率Ge p MOSFETs,并对O3/ZrO2、非晶态ZrO2和Al2O3/ZrO2不同栅介质工程的器件进行了比较。Ge表面经过O3处理的晶体管可以轻微提升μeff。采用Al2O3钝化层虽然提高了μeff和减小Dit,但严重增加了CET。无表面钝化处理的Ge p MOSFETs在ZrO2栅介质结晶后取得了0.73 nm的CET,并显著提高了μeff。与目前所报道的CET小于1nm以下的非应变Ge p MOSFET器件相比,在反型层载流子密度Qinv=1×1013cm-2处具有最高的迁移率,达到190 cm2/V·s。最后,在（100）晶面Ge OI衬底上实现了ZrO2栅介质p Fin FET。相对于[100]沟道方向上的器件,沿着[110]沟道方向的器件表现出更高的导通电流和更低的沟道电阻。在Qinv=5×1012cm-2处,Ge OI p Fin FET在[110]沟道方向上取得的迁移率比在[100]沟道方向上的迁移率提升了10%,比Si普适迁移率提升了60%。2、ZrO2栅介质Fe FET非易失性存储器创新实现了ZrO2栅介质Fe FET非易失性存储器件。与Hf ZrOx对照器件相比,Ta N/ZrO2/Ge电容完全没有唤醒效应,并显著改善了疲劳特性。由于相对较小的剩余极化强度和良好的ZrO2/Ge界面特性,ZrO2 Fe FET实现高达107次周期擦写的耐久性、10 ns的编程/擦除速度,并在85 ℃下取得超过10年的保持特性。同时,研究快速热退火（RTA）温度和ZrO2厚度对Ta N/ZrO2/Ge电容和ZrO2Fe FET关于极化强度（P）和电学特性的影响。RTA在350～500 ℃范围内,2.5 nm和4 nm厚的ZrO2薄膜为非晶态,并在Ta N/ZrO2/Ge电容中表现出稳定的极化强度,其铁电行为源于电压驱动的氧空位和负电荷的迁移形成的偶极子。2.5 nm、4 nm和9nm ZrO2 Fe FET在100 ns编程/擦除脉冲下表现出良好的存储窗口（MW）。与2.5 nm和9 nm ZrO2 Fe FET相比,4 nm ZrO2 Fe FET具有良好的耐久特性和保持特性。随着RTA温度的升高,ZrO2 Fe FET的保持特性得到改善。3、ZrO2栅介质Fe FET神经突触器件利用ZrO2栅介质Fe FET逐步调节铁电翻转的特性实现神经突触器件,成功论证了突触短时程可塑性和长时程可塑性。在单个小的脉冲刺激下观测到突触短时程增强。在一系列正脉冲或负脉冲刺激下,分别获得长时程增强或长时程抑制的突触功能。在重复相同的脉冲刺激下,突触器件可以从短时程可塑性转变为长时程可塑性。通过调节突触前神经元和突触后神经元刺激脉冲的时间间隔实现了尖峰时间依赖性可塑性（STDP）。