一種基于高肖特基勢壘的高性能隧穿場效應(yīng)晶體管

李 鑫，劉 溪

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870）

1 引言

根據(jù)摩爾定律，器件數(shù)量的增多也將預(yù)示著器件尺寸的減小。隨著器件尺寸的不斷減小，降低功耗成為了集成電路設(shè)計的關(guān)鍵問題。現(xiàn)如今，CMOS工藝技術(shù)已經(jīng)進入14 納米時代[1]，尺寸還在繼續(xù)縮小，力爭達到7 納米。然而，隨著器件尺寸的減小，一系列問題也隨之而來，例如短溝道效應(yīng)，即根據(jù)源漏區(qū)距離不斷縮短，溝道內(nèi)電場的分布發(fā)生變化。又例如熱載流子注入效應(yīng)對亞閾值擺幅特性產(chǎn)生影響等問題。在此提出一種具有兩側(cè)等號形主控制柵的晶體管結(jié)構(gòu)，并在中間增加輔助柵來更好控制有效溝道長度[2]。傳統(tǒng)肖特基勢壘金屬氧化物場效應(yīng)晶體管是通過降低勢壘的高度來產(chǎn)生大的電流，與此不同的是，本結(jié)構(gòu)通過對禁帶電子勢壘的提高，降低由熱電子激發(fā)產(chǎn)生的電流，并增大體硅與源漏電極接觸界面作為正向?qū)ǖ闹饕獋鲗?dǎo)機制，形成帶帶隧穿，使器件具有高導(dǎo)通電流、低亞閾值擺幅和低靜態(tài)功耗的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)隧穿晶體管更大的開啟電流，而且由于結(jié)構(gòu)的對稱性更便于集成。

2 器件工作原理

在對器件的設(shè)計中，源、漏電極均采用金屬材質(zhì)，電極與半導(dǎo)體硅接觸形成金屬結(jié)。金屬結(jié)在源漏區(qū)形成阻擋接觸即肖特基勢壘[3]。載流子發(fā)生帶帶隧穿形成導(dǎo)通電流。

在結(jié)構(gòu)中，有一個兩側(cè)主控制柵極和一個中央輔助柵極。兩側(cè)的主控制柵極形為“等號”，主要利用帶帶隧穿作為正向?qū)娏鞯闹鲗?dǎo)物理機制，即利用突變金屬結(jié)在半導(dǎo)體處提供一個比P垣/N垣結(jié)更強烈的帶帶隧穿，同時還能阻擋熱電子發(fā)射電流。兩側(cè)主控制柵極主要控制源、漏區(qū)。中央輔助控制柵極的導(dǎo)通機制與傳統(tǒng)MOSFET 導(dǎo)通機制相同，為阻擋價帶電流的產(chǎn)生，在此特別引入輔助柵結(jié)構(gòu)以控制體硅區(qū)。

以N 型場效應(yīng)晶體管為例，兩側(cè)主控制柵極和中央輔助柵極均為正向偏置，帶帶隧穿所產(chǎn)生的電子空穴對均由源極提供[4]。電子從源極流出，在兩側(cè)主控制柵極的控制下匯集在溝道兩側(cè)，隨著電子不斷地增加積累，電子從源極持續(xù)流向漏極形成漏電流，使器件導(dǎo)通。相反，保持兩側(cè)主控制柵極正向偏置不變，令中央輔助柵極反向偏置，電子同樣從源極流出匯集在溝道兩側(cè)并流向漏極。但中央輔助柵極反向偏置會阻擋電子流向漏極，使器件處于關(guān)斷狀態(tài)。

P 型同N 型原理相同，兩側(cè)主控制柵極的中央輔助柵極均為反向偏置，帶帶隧穿所產(chǎn)生的電子空穴對由源極提供。空穴從源極流出，在兩側(cè)主控制柵極的控制下匯集在溝道兩側(cè)，隨著空穴不斷地增加積累，空穴從源極持續(xù)流向漏極形成漏電流，使器件導(dǎo)通。反之，保持兩側(cè)主控制柵極反向偏置，將中央輔助柵極改為正向偏置，空穴從源極流出匯集在溝道兩側(cè)并流向漏極[5]。但中央輔助柵極正向偏置會阻擋空穴向漏極流通，使器件處于關(guān)斷狀態(tài)。

3 仿真與分析

使用Silvaco TCAD 半導(dǎo)體仿真軟件進行模型結(jié)構(gòu)仿真[6]。結(jié)構(gòu)所采用的模型有玻爾茲曼統(tǒng)計分布函數(shù)（Boltzman Distribution Model）、俄歇復(fù)合模型（Auger Recombination Model）、肖克基復(fù)合模型（Consrh Model）、能帶變窄模型（Band Gap Narrowing Model）以及帶-帶隧穿標準模型（A Standard Band to Band Tunneling Mode Ibbt.std）。

3.1 器件結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)

所設(shè)計的高肖特基勢壘的高性能隧穿場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。這是一種具有等號形主控制柵的中央輔助柵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，它除了具備源極和漏極之外，還具有兩側(cè)等號形主控制柵極和中央輔助控制柵極。圖中，W是溝道寬度；L是溝道長度；Wg是兩側(cè)主控制柵極寬度；Wg1是中央輔助柵極寬度；Lg是兩側(cè)主控制柵極長度；Lg1是中央輔助柵極長度；LS、LD是源、漏電極長度；WS、WD是源、漏電極寬度；tOX是柵氧化層厚度。各參數(shù)的具體數(shù)值如表1 所示。

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖及參數(shù)標注

表1 參數(shù)數(shù)值

3.2 仿真結(jié)果

經(jīng)過仿真，得到具有等號型主控制柵極的中央輔助柵場效應(yīng)晶體管的以中央輔助柵極Vg1為參數(shù)的Vg1-IDS特性曲線，如圖2 所示。實驗中漏極為固定電壓0.1V 且源極接地。通過仿真曲線可以看出，改變Vg1的電壓正、反偏置可以相應(yīng)地改變器件的類型（N-MOSFET 或P-MOSFET）。不論是對N-MOS FET 或P-MOSFET 操作，中央輔助柵極Vg1對該結(jié)構(gòu)的晶體管都具有開關(guān)作用。

圖2 Vg1-IDS 特性仿真曲線

由圖可見，Vg1＞0 時，該器件表現(xiàn)為N 型。中央輔助柵極電壓的變化對正向?qū)娏骷胺聪蚵╇娏饔绊懖淮螅瑢ζ骷o態(tài)漏電流影響較為明顯[7]。隨著Vg1的正向增大，靜態(tài)漏電流逐漸降低。由于靜態(tài)工作區(qū)的柵級電壓極小，此時主要電流是載流子的熱激發(fā)運動所產(chǎn)生的。隨著中央輔助柵極電壓的增加，其控制區(qū)域的能帶彎曲程度越來越大，對電子的阻擋更強烈，導(dǎo)致流過中央輔助控制柵極的電子數(shù)量減小，電流降低。

同理，Vg1＜0 時，該器件表現(xiàn)為P 型。中央輔助柵極電壓的變化對正向?qū)娏骷胺聪蚵╇娏饔绊懖淮螅瑢ζ骷o態(tài)漏電流影響較為明顯。隨著Vg1的反向增大，靜態(tài)漏電流逐漸降低。同樣由于靜態(tài)工作區(qū)的柵壓較小，其主要電流仍為載流子的熱激發(fā)運動。隨著中央輔助柵極電壓的增加，其控制區(qū)域的能帶彎曲程度越來越大，對空穴的阻擋更強烈，導(dǎo)致流過中央輔助控制柵極的空穴數(shù)量減小，電流降低。

圖3 所示為以絕緣氧化層厚度tOX作為可變參數(shù)，漏極外加0.1V 固定電壓及源極接地、中央輔助控制柵極為固定電壓0.5 V 條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖可見，絕緣氧化層選取0.5nm 和11nm 兩個厚度值。當氧化層厚度為1nm 時，正向?qū)娏骷胺聪蚵╇娏靼l(fā)生明顯降低且正向?qū)娏鹘档蛿?shù)值大于反向泄漏電流，反而對靜態(tài)工作電流沒有太大影響。由于絕緣氧化層的厚度增加、柵極電壓不變所產(chǎn)生的電場強度降低，導(dǎo)致載流子的帶帶隧穿能力會隨之降低，導(dǎo)致電流減小。

圖3 以絕緣氧化層厚度為參數(shù)的特性曲線

圖4 所示為以絕緣氧化層材料厚度作為可變參數(shù)，漏極外加0.1V 固定電壓及源極接地，中央輔助控制柵極為固定電壓0.5V 條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖中可見，材料選取二氧化硅和二氧化鉿兩種。與二氧化鉿相比，二氧化硅作為絕緣氧化層材料使正向?qū)娏骷胺聪蚵╇娏骶鶞p小，氧化層材料對靜態(tài)漏電流并沒有太大影響，但二氧化鉿的導(dǎo)電性能優(yōu)于二氧化硅[8]。由于二氧化鉿是高介電常數(shù)材料，禁帶寬度較大，不僅可增強柵極對溝道中載流子的控制能力，還可降低載流子的熱激發(fā)效應(yīng)，造成正向?qū)娏骱头聪蚵╇娏魍瑫r增大的結(jié)果。

圖4 以絕緣氧化層材料為參數(shù)的特性曲線

4 結(jié) 束 語

提出的一種基于肖特基勢壘的隧穿場效應(yīng)晶體管，通過結(jié)合TFET 和MOSFET 的不同優(yōu)點，對器件的各方面進行數(shù)值優(yōu)化以達到最佳特性。等號形主控制柵的中央輔助控制柵場效應(yīng)晶體管器件不僅結(jié)構(gòu)對稱還通過結(jié)構(gòu)的U 型溝道克服了短溝道效應(yīng)，還提高了導(dǎo)通電流，降低了亞閾值擺幅數(shù)值和靜態(tài)功耗，具有很好的發(fā)展前景。