纵向异质结隧穿场效应晶体管的设计与研究

发布时间：2021-12-27 23:38

　　随着传统MOSFET器件特征尺寸不断的缩小,芯片集成度逐渐提高,器件短沟道效应变得越来越明显,导致器件关断时泄漏电流显著增大,功耗问题越来越严重,不利于芯片集成度的进一步提高。传统MOSFET由于受到热载流子效应的影响,在室温下其亚阈值摆幅高于60mV/dec。利用NMOS管和PMOS管可以共同构成互补型MOS结构,即CMOS集成电路;正常工作时两个串联的MOSFET交替导通,不工作时同时截止,理论上电路静态功耗为零。实际上,由于存在漏电流,CMOS电路仍有少量静态功耗。而基于量子隧道效应的隧穿场效应晶体管（TFET）,其亚阈值斜率可以突破MOSFET器件的理论极限,具有极低的关态泄漏电流。N型TFET和P型TFET也可以组成互补TFET（C-TFET）结构,其导通电流以隧穿电流为主,不会受到载流子迁移率的影响,在不增大器件尺寸的条件下能够获得比CMOS器件更加对称的电学特性。本文主要研究内容如下:首先,讨论SiGe/Si等异质结在TFET中的应用。在外延区使用SiGe材料形成异质外延薄层,可以有效地减小外延区的禁带宽度,提高电子从源区隧穿至外延区的隧穿几率,增大隧穿电流;而窄禁带材料... 

【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

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

功率密度随栅极长度的变化[4]

电子科技大学硕士学位论文2体管（TFET）的工作原理为带带隧穿，这种隧穿机制不会受到热电子发射的影响，其亚阈值摆幅可以打破传统MOSFET结构60mV/dec的理论极限，而且拥有非常低的亚阈值电流，可以用于超低功耗集成电路设计，并且能够与传统CMOS工艺兼容。TFET已被许多研究人员探索，但未能获得与传统MOSFET相当的性能[7-9]，限制了TFET器件的实际应用。对于MOSFET的低功耗替代方案，需要对TFET的结构和制造工艺进行更细致的研究。图1-2MOSFET工作机制和电源电压缩放方案在TFET中应用高材料增大电场强度[10-11]或者窄带隙材料降低禁带宽度已然成为改善TFET特性的常用办法。一些科研人员在传统TFET源区采用了窄禁带材料来促进隧穿电流[12]，虽然可以提高驱动电流并且保持较低的关断电流，然而仍无法避免异质结表面处存在的缺陷。考虑到隧穿势垒一般处于沟道区中，因而能够尝试改变沟道区材料，文献[13]利用窄禁带材料代替了整个沟道区域，然而采用此办法需要考虑TFET双极导通效应，该效应可能会导致高关断漏电流。此外，有研究者提议利用先进的仪器控制器件掺杂分布，比如源区重掺杂薄层结构[14-15]，通过减小隧穿势垒宽度提高了电场强度，但在实际工艺中单侧突变结难以实现，并可能会造成实质性的制造偏差。为改善TFET器件开关特性，本文提出了一种纵向渐变外延异质结隧穿场效应晶体管（GEH-TFET），采用了具有低关态泄漏电流的外延隧穿层结构，通过SiGe材料降低隧穿区的禁带宽度提升了开态电流，并利用渐变掺杂工艺改善了器件亚阈值特性，器件具有高导通电流、低亚阈值斜率和低关断漏电流的优点。1.2国内外研究现状隧穿场效应晶体管作为一种新型半导体器件，有望克服传统MOSFET在小尺

Ge源N沟道TFET结构[16]

【参考文献】：
博士论文
[1]基于PIN的IMOS与TFET器件研究[D]. 李妤晨.西安电子科技大学 2013



本文编号：3552966