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。

离子敏感场效应管的结构优化建模

离子敏感场效应管是在金属氧化物场效应管的基本结构上,通过改变栅极结构与材料得到的一种可以直接测量电解质溶液里离子浓度变化的新型器件。该器件除了有传统场效应管的基本性质之外,还有一个重要的性质,即其栅极电压会跟着电解质溶液中离子浓度浓度变化而直接变化。首先对离子敏感场效应管进行仿真建模,分析其工作原理。建模过程主要解决了对于液体电解质的自建材料计算与半导体电解质接触面边界条件的模拟仿真。传统的离子敏感场效应管的敏感度上限为59.6 mV/pH,又称为能斯特极限。为了突破能斯特极限提高器件性能,通过采用无结型场效应管的结构来设计离子敏感场效应管,最后仿真得到敏感度更高、精度更好的器件结构。

短沟道无结柱状围栅MOSFET的解析模型

通过在柱坐标系下求解二维泊松方程,建立了短沟道无结柱状围栅金属氧化物半导体场效应管的电势模型,并推导了阈值电压、亚阈值区电流和亚阈值摆幅的解析模型。在此基础上,分析了沟道长度、沟道直径和栅氧化层厚度等参数对阈值电压、亚阈值区电流和亚阈值摆幅的影响。最后,利用Atlas软件对器件进行了模拟研究。结果表明,根据解析模型得到的计算值与模拟值一致,验证了模型的准确性。这些模型可为设计和应用新型的短沟道无结柱状围栅金属氧化物半导体场效应管提供理论基础。