无结场效应管——新兴的后CMOS器件研究进展

迄今为止,现有的晶体管都是基于PN结或肖特基势垒结而构建的。在未来的几年里,CMOS制造技术的进步将导致器件的沟道长度小于10nm。在这么短的距离内,为使器件能够工作,将不得不采用非常高的掺杂浓度梯度。进入纳米领域,常规CMOS器件所面临的许多问题都与PN结相关,传统的按比例缩小将不再足以继续通过制造更小的晶体管而获得器件性能的提高。半导体工业界正在努力从器件几何形状,结构以及材料方面寻求新的解决方案。文中研究了无结场效应器件制备工艺技术及其进展,这些器件包括半导体无结场效应晶体管、量子阱场效应晶体管、碳纳米管场效应晶体管、石墨烯场效应晶体管、硅烯场效应晶体管、二维半导体材料沟道场效应晶体管和真空沟道场效应管等。这些器件有可能成为适用于10nm及以下技术节点乃至按比例缩小的终极器件。

金刚石二维电导和场效应管研究新进展

金刚石表面沟道场效应管以氢终端金刚石表面的二维空穴气2DHG(Two-Dimensional Hole Gas)作为沟道实现输入电压对输出电流的控制,是目前金刚石电子器件的主流结构.该2DHG面电导具有可大范围调控的面电荷密度和较高空穴饱和漂移速度.本文回顾了金刚石场效应管器件在直流、频率和功率特性的研究进展,揭示了低迁移率是制约金刚石低功耗高速数字电路、高频器件和高功率微波器件发展的主要因素.从理论和实验总结了金刚石表面电导出现的类调制掺杂的新掺杂机理,尤其实现了室温下2DHG霍尔迁移率提升到680 cm^(2)/Vs,材料方阻从10 kΩ/sq数量级降低到1.4 kΩ/sq电导性能的突破.相信这将会引起金刚石场效应管性能极大提升和器件的快速发展.

石墨烯场效应晶体管的X射线总剂量效应

本文针对不同结构、尺寸的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors,GFET)开展了基于10 keV-X射线的总剂量效应研究.结果表明,随累积剂量的增大,不同结构GFET的狄拉克电压V_(Dirac)和载流子迁移率μ不断退化;相比于背栅型GFET,顶栅型GFET的辐射损伤更加严重;尺寸对GFET器件的总剂量效应决定于器件结构;200μm×200μm尺寸的顶栅型GFET损伤最严重,而背栅型GFET是50μm×50μm尺寸的器件损伤最严重.研究表明:对于顶栅型GFET,辐照过程中在栅氧层中形成的氧化物陷阱电荷的积累是V_(Dirac)和μ降低的主要原因.背栅型GFET不仅受到辐射在栅氧化层中产生的陷阱电荷的影响,还受到石墨烯表面的氧吸附的影响.在此基础上,结合TCAD仿真工具实现了顶栅器件氧化层中辐射产生的氧化物陷阱电荷对器件辐射响应规律的仿真.相关研究结果对于石墨烯器件的抗辐照加固研究具有重大意义.

双沟槽SiC金属-氧化物-半导体型场效应管重离子单粒子效应

本文针对第四代双沟槽型碳化硅场效应晶体管升展了不同源漏偏置电压下208 MeV锗离子辐照实验,分析了器件产生单粒子效应的物理机制.实验结果表明,辐照过程中随着初始偏置电压的增大,器件漏极电流增长更明显;在偏置电压为400 V时,重离子注量达到9×10^(4)ion/cm^(2),器件发生单粒子烧毁,在偏置电压为500 V时,重离子注量达到3×10^(4)ion/cm^(2),器件发生单粒子烧毁,单粒子烧毁阈值电压在器件额定工作电压的34%(400 V)以下.对辐照后器件进行栅特性测试,辐照过程中偏置电压为100 V的器件泄漏电流无明显变化;200 V和300 V时,器件的栅极泄漏电流和漏极泄漏电流都增大.结合TCAD仿真模拟进一步分析器件单粒子效应微观机制,结果表明在低偏压下,泄漏电流增大是因为电场集中在栅氧化层的拐角处,导致了氧化层的损伤;在高偏压下,辐照过程中N-外延层和N+衬底交界处发生的电场强度增大,引起显著的碰撞电离,由碰撞电离产生的局域大电流密度导致晶格温度超过碳化硅的熔点,最终引起单粒子烧毁.

太赫兹CMOS场效应管模型及实验分析

针对商业CMOS(互补金属氧化物半导体)场效应管模型在高频下易失效的问题,运用ADS软件构建了基于经典动力学理论的非线性RCL传输线模型,并结合实测数据说明了本文模型的精准性及太赫兹波段场效应管的工作原理。构建了基于经典动力学理论的非线性RCL传输线模型仿真系统,并将其与商业模型仿真结果进行对比,分析了在太赫兹波段本文模型与商业模型的区别。测试了现有场效应管探测器的频率响应,并对实测数据与两种模型仿真数据进行对比,说明本文模型提高了预测精度。最后,结合3σ原则分析了场效应管沟道尺寸对载流子散射效应的影响,以及场效应管进入弹道工作模式的条件。实验结果表明:本文模型与商业模型的区别主要在于模型中是否存在电感部分,该部分可作为场效应管沟道中载流子动量是否守恒及散射效应是否可以忽略的表征参数。相较于商业模型,本文模型对探测器最佳频率工作点的预测精准度可提高0.3%,对探测器带宽的预测精准度可提高约10%。该项研究为CMOS场效应管模型的精确建立及仿真分析提供了良好基础。

石墨烯场效应晶体管在不同偏置电压条件下的电应力可靠性

本文以顶栅结构的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors,GFET)为研究对象,开展了不同偏置电压条件下的电应力可靠性研究.实验结果表明,在不同偏置电压条件的电应力作用下,GFET的载流子迁移率随着电应力时间的延长均不断退化,而不同偏置电压条件的电应力对狄拉克电压(VDirac)的漂移方向和退化程度的影响不同;栅极电应力与漏极电应力造成器件的VDirac漂移方向相反,且栅极电应力要比栅极和漏极电压同时施加的电应力导致GFET的VDirac退化程度更加明显.分析原因表明,不同偏置电压条件下的电应力实验在器件中产生的电场方向不同,从而会影响载流子浓度和移动方向.诱导沟道中的电子和空穴隧穿进入氧化层,被氧化层中缺陷和石墨烯/氧化层界面处的陷阱俘获,形成氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷,从而导致GFET的载流子迁移率降低.而电应力产生陷阱电荷的带电类型差异是造成VDirac漂移方向不同的主要原因.论文结合TCAD仿真,进一步揭示了电应力感生陷阱电荷对GFET的VDirac产生影响的仿真模型.相关研究为石墨烯器件的实际应用提供了数据和理论支撑.

垂直氮化镓沟槽栅极场效应管的优化设计

在传统的氮化镓沟槽栅极场效应管的基础上,通过引入AlGaN层,在异质结界面处形成二维电子气减小器件的导通电阻,并对漂移层的厚度和掺杂浓度进行讨论,使用TCAD软件对器件进行设计优化。最终优化后的漂移层厚度为6μm,掺杂浓度为5×10^(16)cm^(-3)。器件获得了较低的导通电阻R_(on)=0.47 mΩ·cm^(2),较高的击穿电压V_(BR)=2880 V和品质因子FOM=17.6 GW·cm^(-2)。结果显示出了沟槽栅极垂直氮化镓场效应管在高压大电流应用场景下的优势。

场效应晶体管太赫兹探测器在太赫兹成像领域的研究进展(下)

太赫兹(Terahertz,THz)波具有能量低、穿透性强、分辨率高等特性,因而THz成像技术在安全检测、医学诊断、无损探伤等领域具有广阔的应用前景。THz探测器作为THz成像系统的重要组成部分,其性能对成像分辨率、成像速度等有重要影响。由于具备可室温工作、易大面积集成、响应速度快等特性,场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET)THz探测器在成像应用中潜力巨大。综述了近年来FET THz探测器在THz成像领域的研究进展(包括成像阵列、材料选择等方面),分析了设计和制造中存在的问题;指出天线和像素间距是限制大规模阵列化的重要因素,并在此基础上对未来的研究方向进行了展望;指出新的材料和结构设计将进一步改善器件性能,从而实现更快速、更清晰的THz成像。

场效应晶体管太赫兹探测器在太赫兹成像领域的研究进展(上)

太赫兹(Terahertz,THz)波具有能量低、穿透性强、分辨率高等特性,因而THz成像技术在安全检测、医学诊断、无损探伤等领域具有广阔的应用前景。THz探测器作为THz成像系统的重要组成部分,其性能对成像分辨率、成像速度等有重要影响。由于具备可室温工作、易大面积集成、响应速度快等特性,场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET)THz探测器在成像应用中潜力巨大。综述了近年来FET THz探测器在THz成像领域的研究进展(包括成像阵列、材料选择等方面),分析了设计和制造中存在的问题;指出天线和像素间距是限制大规模阵列化的重要因素,并在此基础上对未来的研究方向进行了展望;指出新的材料和结构设计将进一步改善器件性能,从而实现更快速、更清晰的THz成像。

半导体量子线场效应管研究现状及趋势

综述了 - 族化合物半导体量子线场效应管的研究进展情况 ,阐述了量子线结构场效应管的制作工艺原理、制备方法、材料结构及器件的电学性能。指出了当前存在的工艺困难 ,并展望了进一步的发展趋势。

单层SnS场效应晶体管的第一性原理研究

基于硅基材料的逻辑器件由于其短沟道效应,使摩尔定律失效,二维半导体材料被认为是继续缩小晶体管尺寸以生产更多摩尔电子器件的潜在沟道材料.最近在实验上突破了技术瓶颈的限制,实现了二维场效应晶体管突破亚1 nm沟道极限,并且表现出优异的器件性能.这极大地鼓舞了在理论上进一步探索二维器件的性能.二维SnS具有较高的载流子迁移率和各向异性的电子性能,且材料性能环境稳定.本文应用第一性原理研究了亚5 nm SnS场效应晶体管的量子输运特性,鉴于SnS的各向异性,本文将器件沿单层SnS的armchair和zigzag两个方向进行构造,发现p型zigzag方向的器件性能优于其他类型(包括n型、p型的armchair方向和n型的zigzag方向).p型zigzag方向器件的开态电流在栅长缩短到1 nm也能满足国际半导体技术路线图的高性能(HP)器件要求,其值高达1934μA/μm.这在目前报道的1 nm栅长上的器件材料性能方面处于领先.

氧等离子处理的二硫化钼场效应晶体管表面掺杂和湿度传感研究

二维半导体过渡金属二硫属化物(transition metal dichalcogenide,TMD)具有独特的电学、光学和力学性能,在数字电路、光伏器件和能量存储等多个领域中具有巨大的应用潜力。通过表面掺杂控制TMD的电学性能为实现灵敏传感提供了有效的方法。本文开展了氧等离子体对二硫化钼(MoS_(2))掺杂特性的研究。首先,测试了MoS_(2)场效应晶体管(field-effect transistor,FET)的输运特性,发现氧等离子体处理对FET具有p型掺杂作用。随后,通过拉曼光谱研究了掺杂机制的成因,并证实了沟道表面类MoO_(3)缺陷的形成。最后,研究了经等离子体处理的晶体管的湿度传感特性,由于氧等离子体处理使得沟道对水分子的吸收中心增加,在潮湿环境下晶体管具有十分灵敏的响应特性,源漏电流值变化了约54%。这项工作不仅提供了一种调控TMD电学性能的简单方法,也展示了低维材料化学传感器的发展潜力。

碳纳米管场效应晶体管重离子单粒子效应研究

碳纳米管场效应晶体管(CNT FET)具备优良的电学性能和稳定的化学结构,表现出较强的恶劣环境耐受能力,但其抗辐射性能仍缺乏充足的试验验证。以超薄CNT为沟道材料、HfO2为栅介质层的CNT FET为对象,研究了209Bi重离子辐射引起的器件单粒子效应(SEE)。研究结果表明,在重离子辐射条件下,栅极单粒子瞬态电流大多处于10-11 A数量级,少数达10-10 A数量级;由于CNT FET具有纳米级超薄CNT沟道,漏极电流对单粒子辐射不敏感,漏极单粒子瞬态电流几乎可以忽略,无单粒子烧毁效应(SEB);得益于HfO2栅介质层,CNT FET未发生单粒子栅穿效应(SEGR),表现出较强的抗单粒子能力。

基于表面终端的增强型金刚石场效应晶体管研究现状

金刚石半导体材料具有禁带宽度大、击穿场强高、载流子迁移率高、热导率高、抗辐照、耐腐蚀等优良性能,基于金刚石的场效应管(Field Effect Transistor,FET)在超高频率、超大功率、高温及特殊环境领域具有极为广阔的应用前景。得益于氢终端金刚石表面的导电特性,近30年来,金刚石FET器件得到了长足的发展。首先概述了氢终端金刚石导电机理,进而回顾了氢终端金刚石FET的发展历程,随后着重讨论了增强型(常关型)器件的研究现状,并归纳阐述了几种实现增强型特性的技术路径,最后对表面终端增强型金刚石FET亟待解决的问题与发展前景进行了总结和展望。

全环绕栅极场效应晶体管的Ⅰ-Ⅴ模型紧凑建模

基于表面电势提出了一种无结型全环绕栅极场效应晶体管的Ⅰ-Ⅴ模型。以一维泊松方程为基础,结合相应的边界条件,采用四阶龙格库塔算法对两个解析模型中基于物理原理的非线性超越方程组依次求解,建立了表面电势、中点电势与栅极电压相关的数值模型。随后,根据数值模型中以中间参数形式表示的表面电势结果,利用Pao-Sah积分推导出全环绕栅极场效应晶体管的漏极电流。所提出的Ⅰ-Ⅴ模型结果与数值和实验数据均显示出良好的一致性,验证了该建模方法用于全环绕栅极场效应晶体管的可行性。此外,该方法实现了解析模型与数值模型的结合,在精度和效率之间实现了很好的平衡。

针灸、中药包联合场效应理疗治疗寒湿痹阻型类风湿性关节炎临床研究

目的:观察针灸、中药包联合场效应理疗用于寒湿痹阻型类风湿性关节炎(RA)康复治疗的临床效果。方法:选取150例寒湿痹阻型RA患者为研究对象,按照随机数字表法分为对照组和研究组,每组75例。对照组给予抗风湿药物治疗及康复护理干预,研究组增加针灸、中药包联合场效应理疗,2组均连续干预4周。比较2组临床疗效,比较2组治疗前后晨僵时间、关节疼痛个数和关节肿胀个数,红细胞沉降率(ESR)、血清C-反应蛋白(CRP)和类风湿因子(RF)含量,疼痛视觉模拟评分法(VAS)评分、Barthel指数量表评分、匹兹堡睡眠质量指数量表(PSQI)评分。结果:研究组治疗总有效率93.33%,高于对照组70.67%(P<0.05)。治疗后,2组晨僵时间均缩短(P<0.05),关节疼痛个数和关节肿胀个数均减少(P<0.05),且研究组晨僵时间短于对照组(P<0.05),关节疼痛个数和关节肿胀个数少于对照组(P<0.05)。治疗后,2组ESR、CRP、RF均下降(P<0.05),且研究组低于对照组(P<0.05)。治疗后,2组VAS、PSQI评分均降低(P<0.05),Barthel指数评分升高(P<0.05),且研究组VAS、PSQI评分低于对照组(P<0.05),Barthel指数评分高于对照组(P<0.05)。结论:针灸、中药包联合场效应理疗可有效提高寒湿痹阻型RA临床疗效,改善RA相关临床症状,下调炎症因子及RF水平,缓解疼痛反应,提高睡眠质量及生活自理能力。

全包围栅极鳍式场效应管专利态势与技术发展研究

随着集成电路技术日新月异的发展,器件尺寸不断缩小,在突破10nm工艺节点后,短沟道效应等问题成为了制约场效应管发展的主要因素。全包围栅极鳍式场效应管作为3D场效应管的一个最新发展分支,由于良好的性能具备巨大的发展潜力。本文从全包围栅极鳍式场效应管基本原理出发,从全球、国内、分类号等不同维度对该领域专利的申请现状进行分析,并进一步梳理了该领域专利技术的发展脉络,对全包围栅极鳍式场效应管专利发展的前景进行了探讨和研究。

碲基金修饰场效应管型二氧化氮传感器

NO_(2)作为机动车尾气和工业排放中最常见的污染物之一,其预警监测对于环境与人体健康有着重要意义。工业生产与人民生活的智能化趋势对传感器在高性能、微型化、集成化等方面提出了更高要求。场效应管作为一种重要的电学器件结构,由于与MEMS工艺兼容,在器件的小型化和集成化方面具有巨大优势,因而基于新结构与新材料开发高性能场效应管型NO_(2)传感器具有重要研究价值。本工作通过水热法合成了碲纳米带沟道材料,通过表征证实了材料的条带状形貌与单晶结构,并在此基础上完成了碲基场效应管的制备。为进一步提升器件的响应特性,对沟道表面进行了金修饰,并对比测试金修饰前后的气敏特性。金修饰后器件响应恢复速率加快,基线漂移得到改善,检测下限拓宽至100ppb,同时传感器表现出良好的选择性与重复性。从载流子迁移、Au与Te的金属-半导体接触、器件比表面积与化学吸附氧的作用几个角度对气敏机理进行分析,建立了碲基场效应管型NO_(2)传感器敏感机理模型。本工作为场效应管型有毒有害气体传感器的设计制备与增敏提供了一种有效策略。

功率金属-氧化物半导体场效应晶体管静电放电栅源电容解析模型的建立

在实际静电放电测试时,发现各种功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的静电放电测试结果均呈现出正反向耐压不对称现象,而人体与器件接触时的静电放电过程是不区分正反向的.正反向耐压差异较大对于功率MOSFET或作为静电放电保护器件来说都是无法接受的,其造成器件失效的问题格外凸显.本文通过建立SGT-MOSFET,VUMOSFET和VDMOS在静电放电正反向电压下的栅源电容解析模型,对比分析了三种功率MOSFET器件静电放电正反向耐压不对称及其比值不同的原因,为器件的静电放电测试及可靠性分析提供了理论依据.

碳纳米管场效应晶体管制备的新进展:可降解聚合物包裹技术

随着传统硅基技术接近物理极限,寻找新型半导体材料成为了研究热点。碳纳米管(CNTs),特别是半导体型碳纳米管(s-CNTs),因其卓越的载流子迁移率和低本征电容,被认为是未来高性能电子器件的理想材料。然而,传统聚合物包裹技术虽然能有效分离半导体碳纳米管(s-CNTs),但用于包裹的残留聚合物会严重影响器件性能。最近,北京大学彭练矛院士的研究团队开发了一种使用可降解聚合物对碳纳米管进行高纯度分离的技术,并可高效去除聚合物,相关研究成果发表于《ACS Nano》杂志上。