铁电负电容场效应晶体管研究进展

铁电负电容场效应晶体管可以突破传统金属氧化物半导体场效应晶体管中的玻尔兹曼限制,将亚阈值摆幅降低到60 mV/dec以下,极大地改善了晶体管的开关电流比和短沟道效应,有效地降低了器件的功耗,为实现晶体管特征尺寸的减小和摩尔定律的延续提供了选择.本文分析总结了国内外近年来关于铁电负电容场效应晶体管代表性的研究进展,为进一步研究提供参考.首先介绍了铁电负电容场效应晶体管的研究背景及其意义;然后总结了铁电材料的基本性质和种类,并对铁电材料负电容的物理机制和铁电负电容场效应晶体管的工作原理进行了讨论;接下来从器件沟道材料维度的角度,分别总结了最近几年基于三维沟道材料和二维沟道材料且与氧化铪基铁电体结合的铁电负电容场效应晶体管的研究成果,并对器件的亚阈值摆幅、开关电流比、回滞电压和漏电流等性能的改善进行了分析概述;最后对铁电负电容场效应晶体管目前存在的问题和未来的发展方向作了总结与展望.

铁电负电容场效应晶体管器件的研究

铁电负电容场效应晶体管作为一种新型半导体器件,利用铁电材料的负电容效应可使晶体管的亚阈值摆幅突破理论极限值60 mV/dec,是未来低功耗晶体管领域最具有前途的器件之一。该文研究并建立了铁电负电容场效应晶体管的器件模型,采用Matlab软件对负电容场效应晶体管的器件特性进行了研究分析,获得了亚阈值摆幅为33.9176 mV/dec的负电容场效应晶体管的器件结构,探究了铁电层厚度、等效栅氧化层厚度及不同铁电材料对负电容场效应晶体管亚阈值摆幅的影响。

双轴错配应变对铁电双栅负电容晶体管性能的影响

提出了双轴错配应变调节的对称双栅负电容场效应晶体管的电学特性的解析模型,然后基于该模型对比研究了铁电层厚度和双轴错配应变分别对基于PbZr_(0.5)Ti_(0.5)O_(3)和CuInP_2S_6材料的两种负电容场效应晶体管的电学性能的影响.结果表明:对于基于PbZr_(0.5)Ti_(0.5)O_(3)的负电容场效应晶体管,当增加其铁电层厚度或施加压缩应变时,其亚阈值摆幅和导通电流得到改善,但施加拉伸应变具有相反的作用.对于基于CuInP_(2)S_(6)的负电容场效应晶体管,在增加铁电层厚度或施加拉伸应变时性能有所改善,但器件在压缩应变下是滞后的.比较两者发现,在低栅极电压下,基于CuInP_(2)S_(6)的负电容场效应晶体管比基于PbZr_(0.5)Ti_(0.5)O_(3)的负电容场效应晶体管表现出更好的性能.

双栅负电容隧穿场效应晶体管的仿真

介绍了一种锗硅(Si1-xGex)沟道双栅(DG)负电容(NC)隧穿场效应晶体管(TFET),在Sentaurus TCAD软件中通过耦合Landau-Khalatnikov(LK)模型的方法对器件进行了仿真。首先分析了沟道中锗摩尔分数对DG TFET性能的影响。在DG TFET的基础上引入负电容结构得到DG NC TFET,并通过耦合LK模型的方法对不同铁电层厚度的DG NC TFET进行了仿真研究。最后,从能带图和带间隧穿概率的角度分析了负电容效应对器件性能的影响。仿真结果显示,在Si0.6Ge0.4沟道DG TFET基础上引入9 nm铁电层厚度的负电容结构之后,DG NC TFET的开态电流从1.3μA(0.65μA/μm)提高到了29μA(14.5μA/μm),同时有7个源漏电流量级的亚阈值摆幅小于60 mV/dec。

负电容场效应晶体管研究进展

在传统场效应晶体管的发展中,由于亚阈值摆幅(SS)极限的存在(60 mV/dec),在超大规模集成电路(ULSI)中,电源电压的缩放受到物理障碍的限制,如何降低电路的功耗成为很多人研究的重点。为了解决这些问题,提出了铁电负电容场效应晶体管(Fe-NCFET),通过内部电压放大机制来降低SS,从而有效地降低了ULSI的供电电压,显著降低了功耗。本文介绍了负电容效应的研究背景和意义,对NCFET的物理模型和仿真方法进行了讨论。

SOI铁电负电容晶体管亚阈值特性研究

随着微电子技术进入纳米领域,功耗成为制约技术发展的主要因素,因此,低功耗器件成为半导体器件领域的研究热点。负电容场效应晶体管基于铁电材料的负电容效应可有效地降低器件的亚阈值摆幅,从而降低器件的功耗。该文设计了一种基于绝缘体上硅(SOI)结构的铁电负电容场效应晶体管,利用TCAD Sentaurus仿真工具对负电容晶体管进行仿真研究,得到了亚阈值摆幅为30.931 mV/dec的负电容场效应晶体管的器件结构和参数。最后仿真研究了铁电层厚度、等效栅氧化层厚度对负电容场效应晶体管亚阈值特性的影响。

铁电负电容晶体管的研究进展

铁电负电容晶体管的亚阈值斜率可低于60 mV/dec的理论极限,是未来突破晶体管工作电压VDD和器件尺寸进一步减小瓶颈的关键。自2008年低功耗负电容晶体管的概念被提出以来,该晶体管因简单的器件结构和优异的电路性能而一直受到业界学者的广泛关注。然而,这种基于具有负电容特性铁电材料的晶体管的缺点也日渐凸显,特别是负电容的不稳定性对该晶体管的应用造成严重阻碍。相比传统晶体管,负电容晶体管应用于低功耗电路具有两大优势:(1)亚阈值斜率可低于60 mV/dec,降低电路工作电压的同时开关电流比不会下降,静态泄露电流不增加;(2)器件尺寸更小,减小电路面积。然而,负电容晶体管由于铁电材料的滞回特性,在开关电路中具有严重的滞回现象,导致电路逻辑紊乱,无法正常工作。不仅如此,负电容成因的复杂性也使其建模非常困难。因此,近十年来除研究铁电材料种类和参数对器件性能的影响外,研究者们还整理出了决定滞回现象的关键因素,并提出了有效抑制滞回现象的方法。目前,通过调整铁电负电容和晶体管电容的比例,滞回窗口已经可以减小到近乎为零。而与实验图形较吻合的负电容数学模型直到2017年才出现,但模型中的数据还没有科学的测定方法,目前还处于发展完善阶段,仍需要大量的研究和探索。负电容晶体管制备过程简单,工艺和标准CMOS工艺兼容,基底MOSFET制作完成后,将具有负电容特性的铁电材料沉积在栅上形成叠栅。负电容晶体管制作的难点在于稳固铁电和氧化物界面、减少缺陷空位。目前,国内外已出现流片成功的负电容晶体管,成品测试的最小亚阈值斜率可达16 mV/dec,但滞回现象出现的概率非常大,并且在提高器件的疲劳性和稳定可靠性方面还需要投入更多的研究。使用频率较高的负电容材料有PbZrTiO3(PZT)、SrBi2Ta2O9(SBT)、P(VDF-TrFE)、铪基氧化物等,其中铪基氧化物因环保、体积小、性能优异被认为是可投入实际生产的铁电负电容材料。本文探讨了铁电负电容晶体管的工作原理,分析了负电容特性的物理机理和实验测试方法,给出国际上各研究机构在负电容晶体管(NCFET)方面的研究进展情况,最后分析了未来NCFET在器件结构、材料及可靠性方面的发展问题。

短沟道负电容GAAFET的物理解析模型的理论推导

围栅场效应晶体管的EDA设计软件是我国芯片产业“卡脖子”的关键技术之一,已经受到科学界与产业界的高度重视.本文首先通过合理近似推导出传统短沟道GAAFE的物理解析模型,然后在此基础上通过增加铁电层推导出负电容GAAFET的物理解析模型.该物理模型的理论推导有助于加深学生对GAAFET工作原理的理解,激发学生的学习兴趣,提高学生的研究能力.

铁电负电容可测试性的仿真研究

铁电材料具有负电容特性,可应用于新一代超低亚阈值摆幅晶体管中。由于铁电负电容具有准静态特性,在实际测试中,难以直接观测到单独铁电电容的负电容现象。基于“Ginzburg-Landau”模型,采用TCAD软件,构建了紧凑的HfO2铁电电容结构,并通过仿真获得了匹配的RC电路参数,验证了负电容特性。同时,仿真研究了外加电压幅值与串联电阻阻值对铁电电容负电容效应可测试性的影响。

FinFET纳电子学与量子芯片的新进展

综述了后摩尔时代中两大发展热点:鳍式场效应晶体管(FinFET)纳电子学和基于量子计算新算法的量子芯片的发展历程和近两年的最新进展。在FinFET纳电子学领域,综述并分析了当今Si基互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路的发展现状,包括FinFET的发展、10 nm和7 nm技术节点的量产、5 nm和3 nm技术节点的环栅场效应晶体管(GAAFET)和2 nm技术节点的负电容场效应晶体管(FET)的前瞻性技术研究以及非Si器件(InGaAs FinFET、WS2和MoS2两种2D材料的FET)的探索性研究。指出继续摩尔定律的发展将以Si基FinFET和GAAFET的技术发展为主。在量子芯片领域,综述并分析了超导、电子自旋、光子、金刚石中的氮空位中心和离子阱等五种量子比特芯片的发展历程,提高相干时间、固态化及多量子比特扩展等的技术突破,以及近几年在量子信息应用的新进展。基于Si基的纳米制造技术和新的量子计算算法的结合正加速量子计算向工程化的进展。

西电郝跃院士团队在先进微电子器件研究领域取得突破性进展

日前,西安电子科技大学微电子学院郝跃院士研究团队在负电容锗与锗锡沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）研究领域取得了突破性进展,首次通过实验,系统地验证了铁电MOSFET器件中的负电容效应以及负电容对器件电流和亚阈值摆幅的提升作用。