導通類型可調的無摻雜MOS場效應晶體管

李 權，靳曉詩

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽110870）

1 引言

隨著技術的不斷發展，集成電路向著更小尺寸方向不斷發展，這就對作為集成電路的基本單元——MOSFET器件提出了同樣的要求。傳統的MOSTET器件，即金屬-氧化物-半導體場效應晶體管，其導通機理是基于不同載流子類型而表現為不同的導通類型，即可分為N-MOSFET和P-MOSFET兩種。傳統器件每次工作只會工作在一種工作模式下，器件功能單一，可實現功能少，這與現代科技的發展要求產生了一定的差距。因此人們對MOSFET的要求進一步提高，不僅要求在尺寸上達到更小的級別，同時也要求在器件功能上實現更多可能的選擇[1]。同時，MOSFET器件導通機理受到漂移、擴散的的影響，熱壓閾值也只能降到65mV/dec，因此降低熱壓閾值也是目前需要解決的問題之一。綜合考慮上述問題，在此提出一種新型場效應晶體管，在器件尺寸上進一步縮小，并在保證正常MOSFET的邏輯功能的基礎上，通過對控制柵施加不同電壓，實現不同導通類型之間的可調互換，靈活地適應更為復雜的新技術需求。

2 器件設計與工作原理

2.1 器件關鍵參數

所設計器件以雙側浮動柵極結構來實現導通類型的可調，且具有無摻雜的特點，其在Silvaco TCAD軟件中Devedit模塊中生成的平面示意圖如圖1所示。所設計結構的關鍵參數已在圖中標出[2]。

圖1 平面示意圖及關鍵參數標注

由圖中可見該器件同時具有控制導通類型的雙側浮動柵極和中央控制柵極。在柵極與硅體之間用HfO（2二氧化鉿）作為絕緣層，外側周圍則用SiO2來做絕緣層。其中，W是溝道寬度；L是溝道長度；Ws是源漏寬度；Wfg是兩側浮動柵極寬2度；Wpg是中央控制柵寬度；Lpg是中控制柵長度；tHfO是柵極與硅體之間絕緣層厚度；tox1、tox2、tox3皆為SiO2絕緣層厚度。各參數的具體數值如表1所示。

表1 參數數值

2.2 工作原理

所設計場效應晶體管的漏、源電極均采用金屬材質（Al）。電極金屬與半導體Si接觸形成金屬結，并在源漏區接觸處形成肖特基勢壘，借助于載流子隧穿效應形成導通電流。新結構中，兩側的浮動控制柵極是通過帶帶隧穿機理來提供正向導通電流；利用突變金屬結在半導體處提供一種比P+/N+結更強烈的帶帶隧穿[3]。兩側浮動制柵極主要控制源、漏區。中央控制柵極的導通機制與傳統MOSFET導通機理相同。

在N-MOSFET情況下，各處柵極均正偏，由源極提供帶帶隧穿產生的電子空穴對[4]。從源極流出的電子受到兩側控制柵極的控制在溝道兩側集中，積累起來的電子以漏電流形式從源極不斷流向漏極，器件因此導通。此時若令兩側柵極正偏，而使中央柵極反偏，電子依舊從源極流出在溝道兩側集中并流向漏極，器件關斷[5]。

P-MOSFET與N型相似，若各處柵極均為反偏，電子空穴對主要在源極由帶帶隧穿產生，在兩側控制柵極的柵控作用下，從源極流出的空穴在溝道兩側聚焦，數量不斷積累，形成從源極到漏極的源源不斷的漏電流，使器件呈現導通狀態。反之，如果兩側控制柵極保持反偏不變，中央控制柵極改為正偏，空穴將由源極流出聚集在溝道兩側，此時處于正偏狀態的中央控制柵會阻止空穴繼續向漏極流動，使器件進入關斷狀態[6]。

3 仿真與分析

通過Silvaco TCAD半導體仿真軟件對所設計器件結構進行模擬仿真與分析研究。通過DevEdit編輯器件二維結構尺寸，在DeckBuild中調用Atlas仿真語句進行導通特性仿真分析，最后經視圖工具Tonyplot顯示仿真結果，并對圖像進行測量、分析[7]。詳細仿真結果如下：

如圖2所示為仿真得到的直流特性仿真曲線。此時漏極電壓固定在0.2V，中央控制柵極電壓固定在-0.8V，側柵電壓Vfg分別為-0.5V和0.5V。曲線呈現的是以中央控制柵電壓Vpg作為參數的Vpg-IDS轉移特性。此時當Vfg=0.5V，器件的導通類型為NMOSFET；而當Vfg=-0.5V，器件導通類型則轉換為P-MOSFET。由此通過對柵壓的改變實現了器件導通類型的轉變。

圖2 不同V pg極性下的輸出特性仿真曲線

由仿真曲線可以看出，通過改變Vfg的電壓極性可以指定器件類型（N-MOSFET或P-MOSFET），但不管它是作為N-MOSFET還是P-MOSFET，中央控制柵電極Vpg仍然作為開關控制著整體晶體管的開啟與關斷[8]。

如圖3所示為對Vfg施加反偏時的輸出特性仿真結果。漏極施外固定電壓0.2V，中央柵極施加固定電壓-0.8V，Vfg在-0.2V到-0.8V之間變化。

圖3 V fg反偏時的輸出特性仿真曲線

由仿真曲線可以看出，當Vfg＜0時，MOS場效應晶體管作為P-MOSFET工作，當Vpg一定時，隨著Vfg反向增大，兩側控制柵電極對溝道的柵控作用增強，溝道內的空穴不斷的匯聚，源源不斷流向漏極，使得漏極電流增大。

如圖4所示為對Vfg施加正偏時的輸出特性仿真結果。漏極施加固定電壓0.2V，中央柵極施加固定電壓-0.8V，Vfg在0.2V到0.8V之間變化。

圖4 V fg正偏時的輸出特性仿真曲線

由仿真曲線可以看出，當Vfg＞0時，MOS場效應晶體管作為N-MOSFET工作，當Vpg一定時，隨著Vfg正向增大，兩側浮動柵電極對溝道的柵控作用增強，溝道內的電子不斷的聚集，源源不斷從源極流向漏極，使得漏極電流增大。

4 結束語

提出的一種導通類型可調的無摻雜MOS場效應晶體管，通過結合TFET和MOSFET的各自優點，通過改變控制柵極的電壓極性即可改變整體器件的導通類型。通過仿真分析，可對器件各方面進行數值優化以達到最佳特性。中央主控制柵的兩側輔助控制柵場效應晶體管具有很大的發展前景，器件不僅結構對稱，還在很大程度上克服了短溝道效應，提高了導通電流，降低了亞閾值擺幅數值和靜態功耗，有益于在工藝上實現更高的集成度。