无结场效应晶体管生化传感器研究进展

基于无结场效应晶体管(JLFET)的生化传感器制备工艺简单,不存在传统场效应晶体管(FET)源漏结构引起的pn结杂质扩散等问题,因而备受重视。以工作机制可将其分为离子敏感型与介电调制型两大类,分别通过电解液向半导体转移电荷和调制栅介质电容使传感器阈值电压及电流发生变化以达到探测生化物质的目的。综述了两类JLFET生化传感器的工作原理,列举该器件在不同材料、结构等方面的改进并介绍其性能,以供微纳电子学与生物化学交叉学科领域的研究者参考。

硅纳米线不同的掺杂浓度对无结场效应晶体管性能的影响

根据摩尔定律(集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍),集成电路的基本单元MOSFET的尺寸会越来越小,随之而来不仅在制作工艺上的难度加深,短沟道效应也愈发凸显,功耗也越来越大。为了解决以上问题,无结场效应晶体管(Junctionless Field Effect Tansistor)被广泛提出。该器件的源、漏沟道具有相同的掺杂类型和掺杂浓度,沿着沟道方向,不存在"结"。研究结果表明,无结场效应晶体管具有开关比高、沟道迁移率高等优点,并有效抑制了短沟道效应。该论文利用三维数值模拟软件SILVACO对立体栅进行了仿真,研究了硅纳米线不同的纵向掺杂浓度对器件性能的影响。

高性能折叠I型栅无结场效应晶体管

为顺应集成电路设计对器件提出更高性能要求的趋势,提出一种高性能折叠I型栅无结场效应晶体管,主要研究此类产品在不同栅极长度下的电学特性,讨论栅极的几何形状改变对器件性能产生的影响。通过与普通的双栅、三栅无结场效应晶体管的仿真结果的对比,突出FIG JL FET在电学性能上所具备的优势,并给出栅极设计参数的最佳优化方案。仿真实验结果表明,相比于其他的栅型结构,折叠I型栅无结场效应晶体管具有更低的反向泄漏电流,Ion-Ioff比也得到很大提升,而且几乎没有亚阈值的衰减。作为一款高性能器件,深具发展潜力。

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。

双栅无结型场效应晶体管的设计与优化

利用三维数值仿真工具,对双栅无结型场效应晶体管进行了数值模拟,研究了沟道掺杂浓度深度分布对晶体管性能的影响,并对比分析了当沟道长度缩小到10nm及以下时器件的电学特性。仿真结果表明,相比于沟道为均匀掺杂分布的器件,具有中间低的沟道掺杂深度分布的双栅无结型场效应晶体管具有更优的开关电流比、漏致势垒降低、亚阈值斜率等电学性能和短沟道特性。

一种新型非对称栅隧穿场效应晶体管

研究了一种新型非对称栅隧穿场效应晶体管(AG-TFET),新型结构结合了隧穿场效应晶体管陡峭的亚阈值摆幅与无结器件较大的开态电流的优点,其总电流大小受控于底部沟道势垒和p+区与本征沟道区形成的反偏p-i隧穿结处的带隙宽度以及电场强度。使用Silvaco TCAD软件对器件性能进行了仿真,并对p+区厚度以及底栅栅介质二氧化铪的长度进行了优化。仿真结果表明:新型AG-TFET具有良好的电学特性,在室温下开关电流比可以达到3.3×1010,开态电流为302μA/μm,陡峭的亚阈值摆幅即点亚阈值摆幅为35 m V/dec,平均亚阈值摆幅为54 m V/dec。因此,该新型AG-TFET有望被应用在未来低功耗电路中。

GeSn/Ge异质无结型隧穿场效应晶体管

提出了一种新型GeSn/Ge异质无结型隧穿场效应晶体管(GeSn/Ge-hetero JLTFET)。该器件结合了直接窄带隙材料GeSn与传统JLTFET的优点,利用功函数工程诱导器件本征层感应出空穴(p型)或电子(n型),在无需掺杂的前提下,形成器件的源区、沟道区和漏区,从而避免了使用复杂的离子注入工艺和引入随机掺杂波动。该器件减小了隧穿路径宽度,提高了开态电流,获得了更陡峭的亚阈值摆幅。仿真结果表明GeSn/Ge-hetero JLTFET的开态电流为7.08×10^-6 A/μm,关态电流为3.62×10^-14 A/μm,亚阈值摆幅为37.77 mV/dec。同时,GeSn/Ge-hetero JLTFET的相关参数(跨导、跨导生成因子、截止频率和增益带宽积)的性能也优于传统器件。

JLNT-FET和IMNT-FET中传导机制对电热特性影响研究

无结纳米管场效应晶体管(JLNT-FET)和反转模式纳米管场效应晶体管(IMNT-FET)因具有较好的驱动能力和对短沟道效应(SCE)卓越的抑制能力而被关注,自热效应(SHE)作为影响其电热性能的关键问题而被广泛研究。文章基于TCAD数值仿真,通过对环境温度(T_(A))、接触热阻(R_(tc))以及侧墙长度(L_(S))对体传导的JLNT-FET和表面传导的IMNT-FET的最大晶格温度(T_(Lmax))、最大载流子温度(T_(Cmax))、漏极电流(I_(DS))和栅极泄漏电流(I_(G))等器件参数影响的分析,对比研究了JLNT-FET和IMNT-FET中传导机制对电热特性的影响。结果表明,较高的T_(A)、较大的R_(tc)及较小的L_(S),都会加剧器件的声子散射,导致严重的SHE。同时,由于传导机制的差异,体传导受界面散射和声子散射影响较小,JLNT-FET具有更好的电热特性。

不同温度下JLNT-FET和IMNT-FET的模拟/射频特性

无结纳米管场效应晶体管(JLNT-FET)和反转模式纳米管场效应晶体管(IMNT-FET)因具有较好的驱动能力和对短沟道效应(SCE)卓越的抑制能力被广泛研究。基于Sentaurus TCAD数值模拟,分析了环境温度对JLNT-FET和IMNT-FET的模拟/射频(RF)特性的影响,对比研究了JLNT-FET和IMNT-FET由于掺杂浓度和传导方式不同导致的性能差异。结果表明,随着温度升高,载流子声子散射加剧,器件的寄生电容增加,导致器件的模拟/RF性能下降。体传导的JLNT-FET受到声子散射影响较小,所以其漏源电流受温度影响比表面传导的IMNT-FET小。另外,JLNT-FET的载流子迁移率受沟道重掺杂影响,导致其驱动能力和模拟/RF性能都比IMNT-FET差。研究结果对进一步优化这两类器件及其在电路中的应用具有一定的参考意义。