發(fā)布時(shí)間：2021-04-07 01:12

　　隨著集成電路的發(fā)展,當(dāng)今超大規(guī)模集成電路工藝中的核心器件仍為基于漂移擴(kuò)散物理機(jī)理的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。然而,隨著器件特征尺寸不斷縮小,存在的短溝道效應(yīng)、柵氧隧穿效應(yīng)及其他非理想效應(yīng),使其亞閾值擺幅（SS）在常溫下高于60mV/dec,由此增加了集成電路的部分靜態(tài)功耗。為此,研究者們提出了隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TFET）,TFET基于載流子隧穿的機(jī)制,理論上SS可低于60mV/dec,有望應(yīng)用于低功耗集成電路。但傳統(tǒng)TFET想要得到應(yīng)用仍面臨某些問(wèn)題,如源區(qū)和溝道之間需要突變的隧穿結(jié)以提升開(kāi)態(tài)電流、載流子隧穿幾率的不足使得開(kāi)態(tài)電流較低、反向柵壓下存在雙極性電流等。針對(duì)TFET不理想的電學(xué)特性,本文對(duì)傳統(tǒng)TFET做出結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì),仿真分析了不同結(jié)構(gòu)下器件的物理機(jī)理與電流變化趨勢(shì)。為避免傳統(tǒng)TFET結(jié)構(gòu)的物理?yè)诫s,研究者提出了基于電學(xué)摻雜的TFET。本文結(jié)合TFET結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電學(xué)摻雜優(yōu)勢(shì),提出一種新型的電學(xué)摻雜線隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管。通過(guò)柵極結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使得載流子發(fā)生線隧穿以提升開(kāi)態(tài)電流。本文研究的基本內(nèi)容如下:（1）在傳統(tǒng)TFET研究的基礎(chǔ)上,對(duì)電學(xué)摻雜TFET進(jìn)行分類(lèi)與研究,研究了基于電荷等離子體（... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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N型雙柵TFET(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)對(duì)應(yīng)不同狀態(tài)下溝道水平方向的能帶圖；

第一章緒論3(b)(c)圖1-1N型雙柵TFET(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)對(duì)應(yīng)不同狀態(tài)下溝道水平方向的能帶圖；(c)對(duì)應(yīng)不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)移特性曲線1.3研究現(xiàn)狀基于電學(xué)摻雜TFET的主要工作機(jī)理與傳統(tǒng)TFET相同，都依靠載流子在導(dǎo)帶與價(jià)帶間的隧穿形成電流。研究者通過(guò)基于電荷等離子體(CP)的電學(xué)摻雜方式，首次實(shí)現(xiàn)了CPPN結(jié)二極管，并在仿真和實(shí)驗(yàn)中都得到了驗(yàn)證[33-34]。圖1-2(a)為CPPN二極管的橫截面示意圖。其中電極C和A分別代表由具有不同功函數(shù)的金屬所形成的陰極和陽(yáng)極。圖中分別在陰極和陽(yáng)極的上方列舉了一些不同類(lèi)型金屬的功函數(shù)數(shù)據(jù)。CPPN結(jié)二極管的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)基本特征。首先，電極的功函數(shù)應(yīng)與硅的功函數(shù)不同，陰極金屬的功函數(shù).需要滿足的條件為：,<χ+(2)；陽(yáng)極金屬的功函數(shù),需要滿足的條件為：.>χ+(2)。其中χ為半導(dǎo)體硅的電子親和勢(shì)，為體硅的帶隙寬度。其次，體硅的厚度應(yīng)小于其德拜長(zhǎng)度，其中=(()())。為體硅的介電常數(shù)，為熱電壓，為半導(dǎo)體中載流子濃度，是基本電荷量。在CPPN結(jié)二極管中，無(wú)論硅層中的摻雜濃度如何，耗盡電荷都可以忽略不計(jì)。(a)(b)圖1-2(a)CPPN結(jié)示意圖；(b)CPPN結(jié)與傳統(tǒng)PN結(jié)仿真電流密度示意圖[33]

緦髏芏惹?摺Ｔ謔疽饌?中，CPPN結(jié)二極管中的陽(yáng)極功函數(shù).在4.9eV和5.6eV之間變化，可以看出該P(yáng)N結(jié)二極管的電流密度取決于陽(yáng)極金屬功函數(shù)，并與傳統(tǒng)物理?yè)诫sPN結(jié)二極管有著相似的電流密度，由此可知基于電荷等離子體概念的電學(xué)摻雜方式還可以應(yīng)用于解決其他半導(dǎo)體器件和材料的摻雜問(wèn)題。有研究者最先運(yùn)用電荷等離子體的方式實(shí)現(xiàn)在TFET中的電學(xué)摻雜[32]，通過(guò)將具有不同功函數(shù)的金屬覆蓋在傳統(tǒng)TFET的源漏區(qū)并作為源漏區(qū)電極，實(shí)現(xiàn)在輕摻雜溝道中形成具有重?fù)诫s特性的TFET有源區(qū)，得到了不摻雜型(Doping-less,DL)TFET。如圖1-3(a)和(b)分別為DLTFET的結(jié)構(gòu)示意圖和轉(zhuǎn)移特性曲線。仿真結(jié)果顯示了新型DLTFET器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)物理?yè)诫sTFET具有相似的電學(xué)特性。(a)(b)圖1-3不摻雜型(Doping-less,DL)TFET(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)轉(zhuǎn)移特性曲線[32]與此同時(shí)，有研究者提出了無(wú)結(jié)型(junction-less,JL)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管[29]，它使用兩個(gè)不同金屬功函數(shù)的隔離電極在重?fù)诫s的半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)電學(xué)摻雜，其電學(xué)性能與傳統(tǒng)TFET類(lèi)似。無(wú)結(jié)型TFET將無(wú)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管[36]和TFET優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。JLTFET的溝道沒(méi)有任何冶金結(jié)，同時(shí)由于半導(dǎo)體內(nèi)不存在濃度梯度，故其沒(méi)有任何PN結(jié)。圖1-4(a)為JLTFET的結(jié)構(gòu)示意圖，其中JLTFET的Control-Gate(CG)除了與傳統(tǒng)TFET柵極用來(lái)控制溝道的作用以外，還用于形成一個(gè)輕摻雜溝道區(qū)。而P-Gate(PG)是用于在N型重?fù)诫s半導(dǎo)體中形成一個(gè)P型源區(qū)。在兩個(gè)不同金屬功函數(shù)電極的作用下，JLTFET的N+-N+-N+漏區(qū)、溝道和源區(qū)轉(zhuǎn)變成一個(gè)N+-I-P+結(jié)構(gòu)，不需要任何物理?yè)诫s。圖1-4(b)為JLTFET與傳統(tǒng)TFET(CMTFET)在不同模型下的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖可以看出JLTFET的電學(xué)性能近似于CMTFET。與傳統(tǒng)TFET相比，JLTFET的優(yōu)點(diǎn)在于制造起來(lái)更簡(jiǎn)單，并且不易出現(xiàn)?


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