【摘要】：隨著集成電路產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展,超大規(guī)模集成電路發(fā)展過程中的性能提升和功耗難題是當(dāng)前業(yè)界的首要挑戰(zhàn)。由器件動(dòng)態(tài)功耗構(gòu)成可知,在保證性能提升的前提下,降低功耗必須通過減小工作電壓和漏電來實(shí)現(xiàn),傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)由于其熱注入工作機(jī)理,在提升性能的同時(shí)無法進(jìn)一步降低器件工作電壓。而隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET)可有效降低工作電壓,有望實(shí)現(xiàn)超低功耗大規(guī)模集成電路。目前TFET的最大挑戰(zhàn)是工作電流較低、器件性能不佳,解決該問題的主要方案是:采用具有高遷移的新材料結(jié)合可有效提升器件隧穿幾率的交錯(cuò)型異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)器件獲得器件性能提升。因此本工作圍繞具有高空穴遷移率、與Si同為IV族的GeSn合金來制備Si基GeSn量子阱pMOSFET、pTFET;針對交錯(cuò)型異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以有效提升器件性能這一方案,基于具有高電子遷移率且可構(gòu)成極佳的交錯(cuò)型異質(zhì)結(jié)的GaAsN、GaAsBi材料設(shè)計(jì)了GaAsN/GaAsBi Ⅱ型交錯(cuò)異質(zhì)結(jié)nTFET,并使用解析模型和TCAD工具中的數(shù)值模型對其特性進(jìn)行了分析。通過XRD、TEM、AFM測試、表征了GeSn薄膜質(zhì)量。由XRD數(shù)據(jù)計(jì)算了GeSn薄膜中Sn組分為4%,而TEM中整齊排列的晶格點(diǎn)陣以及AFM中低的表面粗糙度均方根(0.33 nm、0.26 nm),表明GeSn薄膜結(jié)晶度高、GeSn/Si界面質(zhì)量良好�；赟i(001)和(111)基GeSn薄膜制備了GeSn量子阱pMOSFET、pTFET,GeSn(111)量子阱pMOSFET的有效遷移率峰值達(dá)到了505 cm~2/Vs,相比于Si(001)基器件,其在器件反型電荷密度為5×10~(12) cm~(-2)時(shí),有效遷移率獲得了40%的提升。對比測試獲得的Si(001)和(111)基GeSn量子阱pTFETs的電學(xué)性能,Si(111)基GeSn器件具有更優(yōu)的器件特性,其開關(guān)態(tài)電流比達(dá)到10~7、亞閾值擺幅實(shí)現(xiàn)56 mV/decade,這些特性優(yōu)于已報(bào)道的非硅窄帶隙pTFETs。經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,GeSn(111)pTFET的器件性能優(yōu)于GeSn(001)器件的原因如下:一方面是Si(111)襯底上外延的GeSn薄膜質(zhì)量更高,具有更高的空穴遷移率,因而有效的提升了器件性能,另一方面是制備工藝中GeSn(111)溝道和高κ柵介質(zhì)層的界面質(zhì)量更好。由于GaAs材料中摻入N和Bi元素可以對其能帶產(chǎn)生不同的作用進(jìn)而減小禁帶寬度,形成的GaAsN、GaAsBi新材料可以形成極佳的交錯(cuò)型異質(zhì)結(jié)。使用虛擬晶格理論模型和反能帶交叉模型獲得其禁帶寬度與組分關(guān)系,使用Sentaurus軟件對基于應(yīng)變平衡理論設(shè)計(jì)的GaAsN/GaAsBi Ⅱ型器件性能進(jìn)行數(shù)值模擬,由于Ⅱ型隧穿結(jié)有效帶隙很窄且源漏材料帶隙較寬,GaAs_(0.85)Bi_(0.15)/GaAs_(0.92)N_(0.080) TFET在0.3 V電壓下的開態(tài)電流相比于InAs和In_(0.53)Ga_(0.47)As同質(zhì)TFET器件獲得了7.8和550倍的提升,且由于GaAsN、GaAsBi帶隙較大,致使器件漏電極低。推導(dǎo)和完善了TFET的解析模型,使用其對設(shè)計(jì)的5nm溝道厚度的小尺寸GaAsN/GaAsBi Ⅱ型異質(zhì)結(jié)TFET的隧穿過程、電學(xué)特性及相關(guān)影響因素進(jìn)行了探究。研究了材料組分、溝道厚度、源端摻雜濃度、源端價(jià)帶態(tài)密度以及漏端偏壓效應(yīng)對器件性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明,Bi和N原子含量增加、器件溝道厚度減小以及優(yōu)化源端摻雜可使器件性能獲得顯著提升。
【圖文】：

著第三次科技革命的不斷深入發(fā)展，信息化、智能化的電子產(chǎn)品不斷改活方式。作為電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)，以 Si 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器成電路產(chǎn)業(yè)成為信息時(shí)代進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志和基石。研究顯示，80理器工作電壓在 5 V 時(shí)，單片功率以 4 倍/3 年的速率增加，在 90 年代電壓的降低，，單片功耗增長速率降為 1.4 倍/3 年，進(jìn)入 21 世紀(jì)，由于工藝技術(shù)，在器件性能穩(wěn)步提升的同時(shí)單片功耗增長速率得以保持原功耗仍在不斷增加且突破 100W/片達(dá)到飽和，如圖 1.1 所示。CMOS 器速度、單片密度以及整體電路功能的大幅提升、制造成本的降低，器件不斷縮減，而整體電路規(guī)模不斷增大，隨之而來的是能耗的劇增。高能集成電路產(chǎn)業(yè)向前推進(jìn)的最大障礙。CMOS 技術(shù)現(xiàn)今面臨的高能耗問個(gè)方面：難以進(jìn)一步減少的 MOSFET 的工作電壓和使得器件開關(guān)態(tài)電化的大的泄漏電流(IOFF)。現(xiàn)今高速發(fā)展的集成電路的主要難題之一是,[2]。

Esaki 于 1958 年在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證，Esaki 隧穿二極管中發(fā)生的反向隧穿過程被稱為齊納隧穿，圖 1.4 為 Esaki 隧穿二極管的特性曲線，其中(a)區(qū)域?yàn)辇R納隧穿的工作狀態(tài)。圖1.4 隧穿二極管工作原理圖圖1.5 TFET 基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖[23]VGIDl(og)MOSFETSS~60 mV/decade@ RTSteep Swing Switche.g. TFET,NCFETIOFFIOFFp+n+pGateSource DrainGateDielectricEcEvVDSOff-statep+n+pe-EcEvVDSOn-state+VGSe-p+n+pnn n
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN386

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本文編號：2705635