新型纳米无结场效应晶体管研究

发布时间：2020-06-02 05:09

【摘要】：随着传统晶体管特征尺寸进一步缩小,形成超陡源漏pn结要求极高的掺杂浓度梯度以及极低的热预算,这对半导体工艺技术带来很大挑战。因此无结(JL:Junctionless)晶体管被提出并受到广泛研究。JL晶体管整个沟道区和源漏区具有相同的掺杂类型和浓度,不需要在源漏区形成pn结,因此大大简化了生产工艺,降低了热预算。为了深入研究JL晶体管,建立解析模型是一种重要的方法。基于电势、阈值电压、亚阈值电流和亚阈值摆幅解析模型的研究有助于深入理解无结纳米晶体管的物理机理,并为性能优化提供理论依据。论文分别研究了两种导电机制的JL晶体管,一是传统的载流子热注入方式的JL MOSFET;二是基于载流子带间隧穿的无结隧穿场效应晶体管(JLTFET:JL Tunneling Field-Effect Transistors)。针对JL MOSFET和JLTFET,本文分别建立了电势、阈值电压、亚阈值电流和亚阈值摆幅解析模型。在解析模型基础上详细分析了对称异质栅(DMG:Dual-Material-Gate)、非对称DMG和高介电常数栅介质对JL MOSFET的影响,以及DMG、异质栅介质(HGD:Htero-Gate-Dielectric)对JLTFET的作用。另外,通过解析模型结果与TCAD仿真结果对比,验证了所提出解析模型的准确性。首先,为了抑制漏致势垒降低效应(DIBL:Drain-Induced-Barrier-Lowing),同时提高载流子在沟道中的输运效率,本文提出了一种新结构的JL MOSFET—无结异质双栅(JLDMDG:JL Dual-Material Double-Gate)MOSFET。通过求解泊松方程得到沟道电势解析模型,再以二维沟道电势模型为基础,结合漂移扩散方程得出亚阈值漏电流模型。另外,通过利用中心势来定义阈值电压,可以建立阈值电压解析模型。模型结果表明,JLDMDG MOSFET的台阶电势分布屏蔽了漏端电压变化对靠近远端处的沟道电势的影响,可以有效抑制DIBL。JLDMDG MOSFET的沟道中心电场存在两个峰值,导电载流子在从源端到漏端的运动过程中可以获得两次加速,有助于提高载流子的输运效率,进而提高器件的电流驱动力。通过对比不同栅长比例的JLDMDG MOSFET和传统无结双栅(JLSMDG:JL Single-Material Double-Gate)MOSFET发现,栅长比例为1:2的JLDMDG MOSFET的DIBL比JLSMDG MOSFET低0.15V。通过对比不同栅长比例的JLDMDG MOSFET得出,栅长比例为2:1的JLDMDG MOSFET比栅长比例为1:2的JLDMDG MOSFET的DIBL高0.05V,阈值电压滚降低0.12V,亚阈值摆幅低42mV/dec。本文所建立的亚阈值电流和阈值电压模型对分析无结器件的短沟道亚阈值特性有重要的指导作用和借鉴意义。其次,考虑到在实际工艺中,实现完全对称的双栅结构是非常困难的。并且已经有研究表明,双栅结构的不对称性不仅不会影响器件的性能,相反还会提高器件的特性和设计灵活性。因此,很有必要研究控制栅和屏蔽栅长度比例不对称对无结异质双栅MOSFET的影响。在此背景下提出了不对称异质双栅(ADMDG:Asymmetric DMDG)JL MOSFET结构,还包含了HfO_2/SiO_2栅介质对ADMDG MOSFET的影响。首先,利用合适的边界条件求解沟道二维泊松方程,得到电势模型,再以二维沟道电势模型为基础,结合漂移扩散方程得出亚阈值漏电流模型。然后,通过利用中心势来定义阈值电压,建立阈值电压解析模型。研究结果表明,不对称双栅结构在不大量增加工艺步骤和复杂度的基础上,可以增加其设计灵活度,同时明显提高MOSFET器件的电学特性,包括亚阈值摆幅降低40mV/dec,DIBL降低0.05V,以及亚阈值电流降低4个数量级左右。另外,在不增加栅的个数的前提下,实现类似于三异质栅的沟道电势和电场分布。从而提高载流子的输运效率和电流驱动能力。为了降低无结器件的亚阈值摆幅,最后本文研究了一种新的导电机制的无结器件—JLTFET。JLTFET的工作原理是基于量子效应实现载流子的带间隧穿,亚阈值摆幅能够突破60mV/dec的限制。由于JLTFET面临导通电流低和双极效应这两个问题,本文提出了一种新的JLTFET结构—异质栅异质栅介质(DMDG-HGD:Dual-Material Double-Gate Hetero-Gate-Dielectric)JLTFET。并且详细对比了DMDG-HGD JLTFET与传统的JLTFET、DMG JLTFET和HGD JLTFET各个状态下的能带图(包括导通状态,关断状态和双极状态)、电场分布和转移特性曲线。结果表明,HGD结构靠近源端处更加陡峭的能带变化有助于减小隧穿势垒宽度,增加隧穿结附近横向电场值约1.2倍,提高隧穿几率,从而提高开态电流2个数量级左右。DMG结构靠近漏端处采用的低功函数栅材料能够有效降低沟道-漏结处的隧穿几率。TFET在反向栅电压作用下在沟道-漏结处发生隧穿电流的现象称为双极效应。所以采用DMG可以抑制双极电流约3个数量级。本文所提出的新结构JL纳米场效应晶体管以及建立的解析模型,为之后JL纳米场效应晶体管的研究奠定了坚实了理论基础,也为其性能优化提供了有力的指导和方向。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 常春蕊;赵宏微;刁加加;安立宝;;碳纳米管用于场效应晶体管的应用研究[J];科技导报;2016年23期

2 张玉萍;;隧穿场效应晶体管的特性分析[J];通讯世界;2017年03期

3 陈云生;;离子液体场效应晶体管[J];电世界;2012年05期

4 王强;曹伟东;章国安;陆健;;极化电压与铁电场效应晶体管漏极电流的稳定性关系[J];南通大学学报(自然科学版);2012年02期

5 武建国;;贴片场效应晶体管工作原理及检测(上)[J];家电检修技术;2011年21期

6 武建国;;贴片场效应晶体管工作原理及检测(下)[J];家电检修技术;2011年23期

7 杨盛谊;陈小川;尹东东;施园;娄志东;;有机光敏场效应晶体管研究进展[J];半导体光电;2008年06期

8 Paul O’Shea;;研究者用碳60制造出高性能场效应晶体管[J];今日电子;2008年04期

9 江兴;;研究者用碳60制造出高性能场效应晶体管[J];半导体信息;2008年04期

10 孙再吉;;碳60制作的高性能场效应晶体管[J];半导体信息;2008年05期

相关会议论文 前10条

1 陈永真;;新型高耐压大功率场效应晶体管[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展（上册）[C];2001年

2 赵广耀;董焕丽;江浪;赵华平;覃翔;胡文平;;并五苯类似物单晶场效应晶体管及其在乙醇气体探测中的应用[A];第十六届全国晶体生长与材料学术会议论文集-08纳米晶体及其表征[C];2012年

3 孙向南;狄重安;王鹰;刘云圻;;高性能阈值电压可调控场效应晶体管的制备[A];中国化学会第26届学术年会有机固体材料分会场论文集[C];2008年

4 黄学斌;朱春莉;郭云龙;张仕明;刘云圻;占肖卫;;卟啉-三并噻吩共轭聚合物的合成及其场效应晶体管特性[A];中国化学会第26届学术年会有机固体材料分会场论文集[C];2008年

5 张亚杰;董焕丽;胡文平;;基于酞菁铜有机单晶微纳米带的双极性场效应晶体管及化学传感器[A];全国第八届有机固体电子过程暨华人有机光电功能材料学术讨论会摘要集[C];2010年

6 刘南柳;周焱;彭俊彪;裴坚;王坚;;提拉法制备图案化有机纳米线场效应晶体管[A];全国第八届有机固体电子过程暨华人有机光电功能材料学术讨论会摘要集[C];2010年

7 温雨耕;狄重安;吴卫平;郭云龙;孙向南;张磊;于贵;刘云圻;;硫醇修饰对N-型傒酰亚胺场效应晶体管性能的影响[A];全国第八届有机固体电子过程暨华人有机光电功能材料学术讨论会摘要集[C];2010年

8 张贺丰;刘倩;申霖;华玉林;邓家春;印寿根;;苏氨酸场效应晶体管电流异性的研究[A];2006年全国功能材料学术年会专辑[C];2006年

9 李谊;刘琪;王立伟;王喜章;胡征;;具有高迁移率及低阈值电压特征的并五苯薄膜场效应晶体管的制备[A];中国化学会第28届学术年会第5分会场摘要集[C];2012年

10 谢晖;李玉桃;张国军;;卟啉功能化的石墨烯场效应晶体管生物传感器超灵敏实时监测细胞释放的一氧化氮[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三分会：纳米传感新原理新方法[C];2016年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报记者 郑晋鸣 本报通讯员 孙好;“要瞄准前沿，更要敢于引领前沿”[N];光明日报;2017年

2 记者 刘霞;美研制出新式超导场效应晶体管[N];科技日报;2011年

3 刘霞;隧道场效应晶体管可为计算机节能99%[N];科技日报;2011年

4 湖南 黄金贵 编译;场效应晶体管传感器的偏置点电路[N];电子报;2013年

5 记者 吴长锋 通讯员 杨保国;我科学家成功制备二维黑磷场效应晶体管[N];科技日报;2014年

6 刘霞;英美研发出首个高温自旋场效应晶体管[N];科技日报;2010年

7 成都 史为 编译;场效应晶体管和晶体三极管[N];电子报;2013年

8 本报记者 胡雅清;500亿豪赌 京东方押宝高世代线[N];中国经营报;2010年

9 记者 张玮炜;“高交会”大连展团丰收[N];大连日报;2008年

10 成都 史为 编译;接收500公里内的FM信号[N];电子报;2015年

相关博士学位论文 前10条

1 邓巍;有机半导体微纳单晶材料图案化阵列的组装及其在场效应晶体管中的应用[D];苏州大学;2017年

2 王萍;新型纳米无结场效应晶体管研究[D];西安电子科技大学;2018年

3 李东伟;基于场效应晶体管结构的多功能有机光电器件研究[D];中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所);2018年

4 宋丽;高效有机发光场效应晶体管的研究[D];中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所);2018年

5 朱一鸣;二维过渡金属硫族化合物电学性质研究[D];重庆大学;2017年

6 Hassan Ali;低维纳米器件及应用[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2017年

7 蒋智;新型隧穿场效应晶体管机理及结构优化研究[D];西安电子科技大学;2018年

8 王伟;有机薄膜场效应晶体管、发光和显示驱动[D];吉林大学;2006年

9 杨茹;垂直沟道偶载场效应晶体管（VDCFET）的研究[D];北京师范大学;2004年

10 李谊;高性能有机场效应晶体管的研究[D];南京大学;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘美玲;PTCDI-C13 N型薄膜场效应晶体管性能及其应用研究[D];东北师范大学;2018年

2 丁雪艳;基于柔性内嵌电极制备有机单晶场效应晶体管及其电路的研究[D];东北师范大学;2018年

3 李梦杰;红荧烯单晶场效应晶体管间互扰的研究[D];东北师范大学;2018年

4 周阳;二维SnO及Cu掺杂SnO半导体场效应晶体管的制备与特性研究[D];辽宁师范大学;2018年

5 张华野;低/高介电常数聚合物双绝缘层场效应晶体管的研究[D];北京交通大学;2018年

6 茆健;有机单晶p-n异质结阵列的制备及其场效应晶体管的研究[D];苏州大学;2018年

7 王亮;大面积有机半导体单晶薄膜的生长及在场效应晶体管中的应用[D];苏州大学;2017年

8 刘岚;新型有机铁电场效应忆阻器的电学特性研究[D];上海师范大学;2018年

9 王代鹏;场效应晶体管中对太赫兹信号响应的研究[D];电子科技大学;2018年

10 白慧芳;1T/2H MoS_2界面特性的研究[D];太原理工大学;2018年

，

本文编号：2692653