基于电学掺杂TFET的物理机理及优化设计研究
发布时间：2021-04-07 01:12
随着集成电路的发展,当今超大规模集成电路工艺中的核心器件仍为基于漂移扩散物理机理的场效应晶体管。然而,随着器件特征尺寸不断缩小,存在的短沟道效应、栅氧隧穿效应及其他非理想效应,使其亚阈值摆幅（SS）在常温下高于60mV/dec,由此增加了集成电路的部分静态功耗。为此,研究者们提出了隧穿场效应晶体管（TFET）,TFET基于载流子隧穿的机制,理论上SS可低于60mV/dec,有望应用于低功耗集成电路。但传统TFET想要得到应用仍面临某些问题,如源区和沟道之间需要突变的隧穿结以提升开态电流、载流子隧穿几率的不足使得开态电流较低、反向栅压下存在双极性电流等。针对TFET不理想的电学特性,本文对传统TFET做出结构上的优化设计,仿真分析了不同结构下器件的物理机理与电流变化趋势。为避免传统TFET结构的物理掺杂,研究者提出了基于电学掺杂的TFET。本文结合TFET结构优化和电学掺杂优势,提出一种新型的电学掺杂线隧穿场效应晶体管。通过栅极结构优化,使得载流子发生线隧穿以提升开态电流。本文研究的基本内容如下:（1）在传统TFET研究的基础上,对电学掺杂TFET进行分类与研究,研究了基于电荷等离子体（...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
N型双栅TFET(a)结构示意图；(b)对应不同状态下沟道水平方向的能带图；
第一章绪论3(b)(c)图1-1N型双栅TFET(a)结构示意图；(b)对应不同状态下沟道水平方向的能带图；(c)对应不同状态下的转移特性曲线1.3研究现状基于电学掺杂TFET的主要工作机理与传统TFET相同，都依靠载流子在导带与价带间的隧穿形成电流。研究者通过基于电荷等离子体(CP)的电学掺杂方式，首次实现了CPPN结二极管，并在仿真和实验中都得到了验证[33-34]。图1-2(a)为CPPN二极管的横截面示意图。其中电极C和A分别代表由具有不同功函数的金属所形成的阴极和阳极。图中分别在阴极和阳极的上方列举了一些不同类型金属的功函数数据。CPPN结二极管的实现有两个基本特征。首先，电极的功函数应与硅的功函数不同，阴极金属的功函数.需要满足的条件为：,<χ+(2)；阳极金属的功函数,需要满足的条件为：.>χ+(2)。其中χ为半导体硅的电子亲和势，为体硅的带隙宽度。其次，体硅的厚度应小于其德拜长度，其中=(()())。为体硅的介电常数，为热电压，为半导体中载流子浓度，是基本电荷量。在CPPN结二极管中，无论硅层中的掺杂浓度如何，耗尽电荷都可以忽略不计。(a)(b)图1-2(a)CPPN结示意图；(b)CPPN结与传统PN结仿真电流密度示意图[33]
缌髅芏惹?摺Ｔ谑疽馔?中，CPPN结二极管中的阳极功函数.在4.9eV和5.6eV之间变化，可以看出该PN结二极管的电流密度取决于阳极金属功函数，并与传统物理掺杂PN结二极管有着相似的电流密度，由此可知基于电荷等离子体概念的电学掺杂方式还可以应用于解决其他半导体器件和材料的掺杂问题。有研究者最先运用电荷等离子体的方式实现在TFET中的电学掺杂[32]，通过将具有不同功函数的金属覆盖在传统TFET的源漏区并作为源漏区电极，实现在轻掺杂沟道中形成具有重掺杂特性的TFET有源区，得到了不掺杂型(Doping-less,DL)TFET。如图1-3(a)和(b)分别为DLTFET的结构示意图和转移特性曲线。仿真结果显示了新型DLTFET器件结构与传统物理掺杂TFET具有相似的电学特性。(a)(b)图1-3不掺杂型(Doping-less,DL)TFET(a)结构示意图；(b)转移特性曲线[32]与此同时，有研究者提出了无结型(junction-less,JL)隧穿场效应晶体管[29]，它使用两个不同金属功函数的隔离电极在重掺杂的半导体中实现电学掺杂，其电学性能与传统TFET类似。无结型TFET将无结型场效应晶体管[36]和TFET优点结合在一起。JLTFET的沟道没有任何冶金结，同时由于半导体内不存在浓度梯度，故其没有任何PN结。图1-4(a)为JLTFET的结构示意图，其中JLTFET的Control-Gate(CG)除了与传统TFET栅极用来控制沟道的作用以外，还用于形成一个轻掺杂沟道区。而P-Gate(PG)是用于在N型重掺杂半导体中形成一个P型源区。在两个不同金属功函数电极的作用下，JLTFET的N+-N+-N+漏区、沟道和源区转变成一个N+-I-P+结构，不需要任何物理掺杂。图1-4(b)为JLTFET与传统TFET(CMTFET)在不同模型下的转移特性曲线。由图可以看出JLTFET的电学性能近似于CMTFET。与传统TFET相比，JLTFET的优点在于制造起来更简单，并且不易出现?
本文编号：3122512
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
N型双栅TFET(a)结构示意图；(b)对应不同状态下沟道水平方向的能带图；
第一章绪论3(b)(c)图1-1N型双栅TFET(a)结构示意图；(b)对应不同状态下沟道水平方向的能带图；(c)对应不同状态下的转移特性曲线1.3研究现状基于电学掺杂TFET的主要工作机理与传统TFET相同，都依靠载流子在导带与价带间的隧穿形成电流。研究者通过基于电荷等离子体(CP)的电学掺杂方式，首次实现了CPPN结二极管，并在仿真和实验中都得到了验证[33-34]。图1-2(a)为CPPN二极管的横截面示意图。其中电极C和A分别代表由具有不同功函数的金属所形成的阴极和阳极。图中分别在阴极和阳极的上方列举了一些不同类型金属的功函数数据。CPPN结二极管的实现有两个基本特征。首先，电极的功函数应与硅的功函数不同，阴极金属的功函数.需要满足的条件为：,<χ+(2)；阳极金属的功函数,需要满足的条件为：.>χ+(2)。其中χ为半导体硅的电子亲和势，为体硅的带隙宽度。其次，体硅的厚度应小于其德拜长度，其中=(()())。为体硅的介电常数，为热电压，为半导体中载流子浓度，是基本电荷量。在CPPN结二极管中，无论硅层中的掺杂浓度如何，耗尽电荷都可以忽略不计。(a)(b)图1-2(a)CPPN结示意图；(b)CPPN结与传统PN结仿真电流密度示意图[33]
缌髅芏惹?摺Ｔ谑疽馔?中，CPPN结二极管中的阳极功函数.在4.9eV和5.6eV之间变化，可以看出该PN结二极管的电流密度取决于阳极金属功函数，并与传统物理掺杂PN结二极管有着相似的电流密度，由此可知基于电荷等离子体概念的电学掺杂方式还可以应用于解决其他半导体器件和材料的掺杂问题。有研究者最先运用电荷等离子体的方式实现在TFET中的电学掺杂[32]，通过将具有不同功函数的金属覆盖在传统TFET的源漏区并作为源漏区电极，实现在轻掺杂沟道中形成具有重掺杂特性的TFET有源区，得到了不掺杂型(Doping-less,DL)TFET。如图1-3(a)和(b)分别为DLTFET的结构示意图和转移特性曲线。仿真结果显示了新型DLTFET器件结构与传统物理掺杂TFET具有相似的电学特性。(a)(b)图1-3不掺杂型(Doping-less,DL)TFET(a)结构示意图；(b)转移特性曲线[32]与此同时，有研究者提出了无结型(junction-less,JL)隧穿场效应晶体管[29]，它使用两个不同金属功函数的隔离电极在重掺杂的半导体中实现电学掺杂，其电学性能与传统TFET类似。无结型TFET将无结型场效应晶体管[36]和TFET优点结合在一起。JLTFET的沟道没有任何冶金结，同时由于半导体内不存在浓度梯度，故其没有任何PN结。图1-4(a)为JLTFET的结构示意图，其中JLTFET的Control-Gate(CG)除了与传统TFET栅极用来控制沟道的作用以外，还用于形成一个轻掺杂沟道区。而P-Gate(PG)是用于在N型重掺杂半导体中形成一个P型源区。在两个不同金属功函数电极的作用下，JLTFET的N+-N+-N+漏区、沟道和源区转变成一个N+-I-P+结构，不需要任何物理掺杂。图1-4(b)为JLTFET与传统TFET(CMTFET)在不同模型下的转移特性曲线。由图可以看出JLTFET的电学性能近似于CMTFET。与传统TFET相比，JLTFET的优点在于制造起来更简单，并且不易出现?
本文编号：3122512
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