异质栅介质双栅隧穿场效应晶体管TCAD仿真研究

采用异质栅介质结构,加入高k介质Pocket区,对双栅隧穿场效应晶体管进行了改进。通过搭建不同模型,分析了栅介质的长度、介电常数以及Pocket区厚度等参数对器件开态电流Ion、双极性特性、亚阈值摆幅等的影响。TACD仿真结果表明,Ion随介电常数的增大可提升至5.17×10-5A/μm,且双极性电流也有极大的增幅,亚阈值摆幅因开态电流的改善降低至28.3 mV/dec,而异质栅介质的不同长度对器件性能并无明显影响;在双极性上,Pocket区厚度的增加使得栅漏隧穿宽度增大,双极性电流减小至1.0×10-17A/μm,抑制了双极性导通,同时对器件其他特性未产生明显影响。

一种感应PN结隧穿场效应晶体管

提出了一种在源区形成感应PN结的隧穿场效应晶体管,利用Silvaco TCAD对器件的工作原理进行了验证,并仿真分析了器件的静态电学特性以及动态特性。结果表明,这种结构的TFET具有低的亚阈值斜率(51mV/dec.)、高的开态电流(5.88μA/μm)、高的开/关态电流比(ION/IOFF为107)以及低至9ps的本征延迟时间,表明利用该结构的TFET器件有望构成高速低功耗逻辑单元。

隧穿场效应晶体管的研究进展

隧穿场效应晶体管（TFET）已成为低压低功耗半导体器件的一个重要发展方向，但是自身存在的问题使其目前难以在实际电路设计中得到大量应用，主要原因之一是其开态电流过小。对隧穿场效应晶体管进行了简要介绍，从其隧穿几率等方面对器件的优化进行了分析。并综述了隧穿场效应晶体管的研究进展，包括基于传统Ⅳ族材料、Ⅲ-Ⅴ族材料以及GeSn材料等的隧穿场效应晶体管，并对基于负电容效应的铁电隧穿场效应晶体管进行了简要分析与介绍。然后，对隧穿场效应晶体管的改良与优化方向进行了简单总结，研究表明采用新材料或新结构的器件可极大地改善隧穿场效应晶体管的电学性能。

一种新型GaAs基无漏结隧穿场效应晶体管

针对隧穿场效应晶体管开态电流较低的问题,提出了一种新型GaAs基无漏结隧穿场效应晶体管结构,并对其性能进行了研究。在该结构中,沟道和漏区采用具有相同掺杂浓度的N型InGaAs材料,实现沟道/漏区无结化,简化了制造工艺;同时为了提高开态隧穿电流,源区采用不同于沟道的P型GaAsSb材料,实现异质源区/沟道结构。该结构能有效增大关态隧穿势垒宽度,降低泄漏电流,同时增加开态带带隧穿概率,提升开态电流,从而获得低亚阈值斜率和高开关比。仿真结果表明,在0.4V工作电压下,该新型GaAs基无漏结隧穿场效应晶体管的开态电流为3.66mA,关态电流为4.35×10^(-13) A,开关电流比高达10^(10),平均亚阈值斜率为27mV/dec,漏致势垒降低效应值为126。

γ射线总剂量辐照对单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管栅隧穿电流的影响

基于γ射线辐照条件下单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)载流子的微观输运机制,揭示了单轴应变Si纳米NMOSFET器件电学特性随总剂量辐照的变化规律,同时基于量子机制建立了小尺寸单轴应变Si NMOSFET在γ射线辐照条件下的栅隧穿电流模型,应用Matlab对该模型进行了数值模拟仿真,探究了总剂量、器件几何结构参数、材料物理参数等对栅隧穿电流的影响.此外,通过实验进行对比,该模型仿真结果和总剂量辐照实验测试结果基本符合,从而验证了模型的可行性.本文所建模型为研究纳米级单轴应变Si NMOSFET应变集成器件可靠性及电路的应用提供了有价值的理论指导与实践基础.

纳米线环栅隧穿场效应晶体管的电容模型

纳米线环栅隧穿场效应晶体管相比于其他多栅器件具有更强的短沟道效应抑制能力及更优异的电学特性.器件模型能够模拟器件电学特性,对于器件及电路的实际应用极为关键.目前,已有纳米线环栅隧穿场效应晶体管的电流模型报道,但是尚没有电容模型的相关报道.电容模型主要用于瞬态特性模拟,对于评估电路速度转换和频率特性至关重要.由于没有可用的电容模型,纳米线环栅隧穿场效应晶体管电路方面的研究主要通过数值迭代的方法开展,该方法不仅对硬件平台要求高,且耗时长,还容易出现收敛性问题,只能勉强用于极小规模电路模块,对于包含晶体管数目较多的电路无能为力.本文针对以上问题,从基本的器件物理出发,建立了纳米线环栅隧穿场效应晶体管的电容模型,该模型不涉及任何数值迭代过程.相比于数值模型,该模型计算速度快、过程稳定,能够加速纳米线环栅隧穿场效应晶体管器件及电路的相关研究.

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。

一种新型隧穿场效应晶体管

提出了一种新型隧穿场效应晶体管(TFET)结构,该结构通过在常规TFET靠近器件栅氧化层一侧的漏-体结界面引入一薄层二氧化硅(隔离区),从而减小甚至阻断反向栅压情况下漏端到体端的带带隧穿(BTBT),减弱TFET的双极效应,实现大幅度降低器件泄漏电流的目的。利用TCAD仿真工具对基于部分耗尽绝缘体上硅(PDSOI)和全耗尽绝缘体上硅(FDSOI)的TFET和新型TFET结构进行了仿真与对比。仿真结果表明,当隔离区宽度为2 nm,高度大于10 nm时,可阻断PDSOI TFET的BTBT,其泄漏电流下降了4个数量级;而基于FDSOI的TFET无法彻底消除BTBT和双极效应,其泄漏电流下降了2个数量级。因此新型结构更适合于PDSOI TFET。

基于杂质分凝技术的隧穿场效应晶体管电流镜

在全耗尽绝缘体上硅(FDSOI)衬底上制备了一种新型隧穿场效应晶体管(TFET),并用相似的工艺方法制备金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)作为比较,分别基于两种器件构成基本电流镜电路,研究两种器件的基本性能和电路电流传输能力。两种器件均采用杂质分凝技术制备,在源漏与沟道的界面形成了陡峭的杂质分布,TFET也因此具备陡峭的隧穿结。两种器件的载流子输运机制不同,因此温度对电流的影响也不同,此外,不同于MOSFET的单极导通行为,TFET由于源漏两端均为重掺杂,表现为强烈的双极导通行为。测试发现,由TFET构成的电流镜电路的电流传输比高达97%,高于一般的TFET电流镜和实验中用于对比的MOSFET电流镜,且TFET电流镜的输出阻抗较高,约1 MΩ。这为TFET的研发与简单应用提供了参考。

Si/Ge异质结双栅隧穿场效应晶体管TCAD仿真研究

Si/Ge异质结双栅隧穿场效应晶体管(DGTFET)较传统硅基DGTFET有更好的电学性能。文章基于Sentaurus TCAD仿真软件,构建了有/无Pocket两种结构的Si/Ge异质结DGTFET器件,定量研究了Pocket结构及Pocket区厚度、掺杂浓度等参数对器件开态电流、关态电流、亚阈值摆幅、截止频率和增益带宽积的影响。通过仿真实验和计算分析发现,Si/Ge异质结DGTFET的开态/关态电流、亚阈值摆幅、截止频率和增益带宽积随Pocket区掺杂浓度增大而增大,而Pocket区厚度对器件性能没有明显影响。研究结果为TFET器件的直流、频率特性优化提供了指导。

考虑可移动电荷的双栅隧穿场效应晶体管电流模型

为了解决隧穿场效应晶体管(TFET)在强反型区表面势和漏电流精度下降的问题,建立了一种考虑可移动电荷影响的双栅TFET电流模型。首先求解考虑可移动电荷贡献的二维电势泊松方程,推导出表面势、电场的解析表达式;然后利用求得的电场表达式和Kane模型得到载流子的隧穿产生率;最后利用切线近似法计算隧穿产生率在隧穿区域的积分,建立了漏电流的简洁解析模型。利用器件数值仿真软件Sentaurus在不同器件参数下对所建模型进行了验证,仿真结果表明:考虑可移动电荷的影响能够提高强反型区漏电流模型的精度;在相同器件参数条件下,考虑可移动电荷的模型比忽略可移动电荷的模型精度提高了20%以上。

一种带有斜向扩展源的双栅隧穿场效应晶体管

设计并研究了一种带有轻掺杂漏(LDD)和斜向扩展源(OES)的双栅隧穿场效应晶体管(DG-TFET),并利用Sentaurus TCAD仿真工具对栅长及扩展源长度等关键参数进行了仿真分析。对比了该器件与传统TFET的亚阈值摆幅、关态电流和开关电流比,并从器件的带带隧穿概率分析其优势。仿真结果表明,该器件的最佳数值开关电流比及亚阈值摆幅分别可达3.56×10^(12)和24.5 mV/dec。另外,该DG-TFET在双极性电流和接触电阻方面性能良好,且具有较快的转换速率和较低的功耗。

一种基于深肖特基势垒辅助栅控制的隧穿场效应晶体管

提出一种基于深肖特基势垒辅助栅控制的隧穿场效应晶体管,分析肖特基势垒高度对该器件的影响。该TFET的势垒比传统肖特基势垒晶体管更低,利用了深肖特基势垒来克服由隧穿产生的电流;通过最大化源漏与硅体接触界面处的正向导通电流,即带带隧穿电流,利用辅助栅电极有效地抑制反向漏电流。和传统SB MOSFET或者JL FETs相比,此器件能实现低亚阈值摆幅、更小的反向偏置GIDL电流、高开关电流比,并使导通电流大于普通的TFET;其对称结构也使其与MOSFET技术更加融合。

一种新型源电极的DMDG隧穿场效应晶体管

研究了一种新型源电极的双物质双栅隧穿场效应晶体管（NSE-DMDG-TFET）,该器件结合了新型源电极和双物质栅的优点,其中新型源电极由传统的欧姆接触电极和高功函数浮空肖特基接触电极构成,该肖特基接触电极可有效抬升其电极下的能带、增大源区价带和沟道区导带之间的能带重叠区、减小隧穿距离,提高了开态电流和开关电流比,获得了更小的亚阈值摆幅。运用Silvaco TCAD软件完成器件仿真,并优化了该肖特基接触电极与栅电极的间距、栅金属功函数等参数。仿真结果表明：在室温下,该隧穿场效应晶体管的开态电流为3. 22×10^-6A/μm,关态电流为5. 71×10^-17A/μm,开关电流比可达5. 64×10^10,亚阈值摆幅为34. 22 mV/dec。

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。

具有双向开关特性的隧穿场效应晶体管

基于带带隧穿原理,提出一种具有双向开关特性的隧穿场效应晶体管。不同于传统隧穿晶体管的PIN结构,新结构具有双向导通性,源漏区可互换,对反向泄漏电流有更好的抑制效果,同时具有低功耗和低亚阈值摆幅的优点。其对称的结构能更好兼容CMOS工艺,设计灵活性更好。通过Silvaco TCAD软件对器件3D结构进行I-V特性仿真,分析各器件参数改变对器件开关电流比(IonIoff)、亚阈值摆幅(SS)、反向泄漏电流和正向导通电流等电学特性的影响,从而改善器件特性,优化器件结构。

隧穿场效应晶体管的特性分析

随着器件尺寸不断缩小,半导体器件面临诸多问题,如短沟道效应严重、泄露电流大、高功耗等,针对这些问题,领域内提出了各种解决方案,其中隧道场效应晶体管得到广泛关注,它是一种新型的低功耗器件,其阈值泄露小,可抗短沟道效应。本文以隧穿场效应晶体管的工作原理、影响器件性能的因素和发展概况为着眼点,简析该新型器件。

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。

一种新型异质结双栅隧穿场效应晶体管

文章提出一种新型Si/Ge异质结双栅隧穿场效应晶体管(GP_Si/Ge_DGTFET)。该器件在异质结的基础上加入凹槽型pocket结构,禁带宽度较窄的Ge材料可以使器件拥有更低的亚阈值摆幅和更大的开态电流,同时pocket结构的引入可以进一步降低隧穿势垒。基于Sentaurus TCAD仿真软件,将该新型器件与传统Si/Ge异质结双栅隧穿场效应晶体管(Si/Ge_DGTFET)进行对比。仿真结果表明,该新器件拥有更好的亚阈值摆幅和开关特性,其开态电流为6.0×10^(-5) A/μm,关态电流约为10^(-14) A/μm,平均亚阈值摆幅达到35.36 mV/dec。

基于Sentaurus的隧穿场效应晶体管仿真研究

隧穿场效应晶体管目前已成为低功耗器件的重要发展方向之一。提出了一种含pocket结构的新型异质结双栅隧穿场效应晶体管,基于Sentaurus TCAD仿真软件,将该新型器件与传统Si/Ge异质结双栅隧穿场效应晶体管(Si/Ge_DGTFET)进行对比。研究两者能带结构、隧穿概率和跨导特性。仿真结果显示,新型器件的能带弯曲更加明显,更有利于隧穿的产生,新型器件的隧穿产生率是传统器件的数倍,其峰值达到1.497×10^(33) cm^(-3)·s^(-1),并且其跨导特性也要优于传统器件。