具有雙向開(kāi)關(guān)特性的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管

王藝澄，靳曉詩(shī)

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

1 引言

依據(jù)摩爾定律，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路單位面積內(nèi)晶體管的數(shù)量每18個(gè)月翻一倍[1]，隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，晶體管的尺寸在不停減小，集成度變高，性能提升。但在器件尺寸等比例縮小的同時(shí)，各種不良效應(yīng)也越發(fā)明顯。微電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)已進(jìn)入了納米級(jí)，MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）因其工藝簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活，作為集成電路的基本單元，在器件尺寸縮小、溝道長(zhǎng)度變短時(shí)會(huì)發(fā)生各種嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)。高集成度導(dǎo)致功耗增加，芯片內(nèi)部溫度隨之升高，增加了整個(gè)系統(tǒng)的失效率。又由于MOSFET的導(dǎo)通機(jī)理，室溫下其亞閾值擺幅難以突破60mV/dec的極限[2]。隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管基于量子力學(xué)帶帶隧穿原理，使得隧穿器件的亞閾值擺幅可以突破這一極限[3]。隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TFET）是以超薄的半導(dǎo)體薄片或納米線(xiàn)為基礎(chǔ)，其功耗可降低到互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）的約百分之一[4]。因此TFET已成為低功耗應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[5]。目前針對(duì)TFET的研究大多在于改善柵電極形狀和改變溝道結(jié)構(gòu)來(lái)改善電學(xué)性能[6-9]。

隧穿晶體管的PIN結(jié)構(gòu)使其無(wú)法代替源漏級(jí)可互換、雙向?qū)ㄐ缘腗OSFET晶體管。為此提出一種具有雙向開(kāi)關(guān)特性的帶帶隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（B-TFET）結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)隧穿晶體管的低亞閾值擺幅和低功耗的特點(diǎn)，可有效抑制反向泄漏電流，同時(shí)具有MOSFET的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，能實(shí)現(xiàn)雙向開(kāi)關(guān)特性。

2 具有雙向開(kāi)關(guān)特性的TFET結(jié)構(gòu)

具有雙向開(kāi)關(guān)特性的帶帶隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（N型）結(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)TFET不同，此處設(shè)計(jì)的B-TFET是完全對(duì)稱(chēng)的——源/漏可互換的P+摻雜區(qū)域位于硅體兩側(cè)，兩側(cè)均可視為器件的漏極或源極。柵電極位于硅體的兩側(cè)，器件結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的。N+摻雜區(qū)位于硅體的中心部分。

圖1器件結(jié)構(gòu)

整體器件結(jié)構(gòu)可看作兩個(gè)反向PN結(jié)，無(wú)論哪一側(cè)的P型摻雜區(qū)選為漏電極，兩個(gè)PN結(jié)必定有一個(gè)反偏，使得該器件從靜態(tài)工作電流而言相當(dāng)于一個(gè)反偏PN結(jié)。當(dāng)漏電極加正向偏壓，柵電極加反向偏壓，即器件工作在反向狀態(tài)時(shí)，漏電極與源電極間會(huì)產(chǎn)生較大的電場(chǎng)強(qiáng)度，隧穿產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子由偏壓在漏端排出，反向泄漏電流的主要載流子是空穴。當(dāng)器件工作在正向狀態(tài)時(shí)，源端提供隧穿產(chǎn)生電子，正向?qū)娏鞯闹饕d流子是電子。

以L(fǎng)和W來(lái)表示器件的整體長(zhǎng)度和整體寬度。Li為本征區(qū)域的長(zhǎng)度，LN+為N+區(qū)域的長(zhǎng)度，LS/D和WS/D分別為P+源/漏可互換區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度。T為硅體厚度（40nm），tox為柵極氧化物的厚度（柵氧選擇高K材料HfO2），ti為S/D區(qū)域與柵極氧化物之間的本征隧道區(qū)域的厚度。

3 N+區(qū)摻雜濃度對(duì)器件性能的影響

N+區(qū)摻雜濃度ND的改變（從1019cm-3到1021cm-3）對(duì)器件性能影響如圖2所示。其中圖2(a)給出了Ids-Vds曲線(xiàn)，同時(shí)也給出了其他參數(shù)在此時(shí)的設(shè)置值。從仿真分析圖（歸一化處理后）中可以看出，隨著N區(qū)摻雜濃度的不斷變大，正向?qū)娏鞯淖兓⒉幻黠@，反向泄漏電流則明顯被抑制，靜態(tài)功耗也逐漸變小，靜態(tài)功耗點(diǎn)的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)相差近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖2(b)給出了關(guān)斷比（Ion-Ioff）曲線(xiàn)和亞閾值擺幅（SS）曲線(xiàn)。從圖中可知，隨著N區(qū)摻雜濃度升高，新器件的平均亞閾值擺幅逐漸減小，開(kāi)斷電流比不斷升高。由于正向?qū)娏鳑](méi)有受到明顯的影響，而反向漏電流由于N區(qū)摻雜濃度的提高而被顯著的抑制，同時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)的電流顯著降低，使得平均亞閾值擺幅更小、關(guān)斷比更高和功耗更低，可從57.6mV/dec降低至47.0mV/dec。

圖2受N+區(qū)摻雜濃度影響的特性曲線(xiàn)

器件處于反偏狀態(tài)（Vds=0.5V,Vgs=-0.4V）下的二維橫截平面的電勢(shì)分布情況如圖3所示。當(dāng)柵電極反向偏壓時(shí)，正向偏壓的漏電極和反向偏壓的柵電極之間會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，導(dǎo)致漏極附近本征區(qū)靠近漏電極處產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，強(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致了該區(qū)域的能帶彎曲變大，從而發(fā)生很強(qiáng)的帶帶隧穿效應(yīng)。由此造成成對(duì)出現(xiàn)的電子和空穴。由于偏壓的存在，電子可以直接從漏電極流出，而價(jià)帶的空穴需要留過(guò)N+摻雜區(qū)，再流過(guò)本征區(qū)域，在源電極處流出，以此形成連續(xù)的漏電流?？捎煽昭ǖ牧鲃?dòng)情況推斷出：為了減少反向的泄漏電流，可以通過(guò)減少通過(guò)N+摻雜區(qū)的空穴數(shù)量來(lái)減小反向漏電流。通過(guò)圖3(a)和圖3(b)觀察到，當(dāng)N+區(qū)摻雜濃度較高，即ND=1021cm-3時(shí)，兩側(cè)的P+摻雜區(qū)與N+摻雜區(qū)之間形成了相比于ND=1019cm-3時(shí)更大的電勢(shì)差，且N+區(qū)較高的摻雜濃度使得該區(qū)兩側(cè)的電勢(shì)更高。這是由于具有更高濃度的N+區(qū)與源、漏兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生更大的電子濃度差，因此會(huì)向源、漏兩側(cè)擴(kuò)散更多的電子，導(dǎo)致離子化后的N+區(qū)的正電荷量增加，也因此增加了P+區(qū)和N+區(qū)之間的電勢(shì)差。正因如此，N+區(qū)的摻雜濃度越高，在P+區(qū)和N+區(qū)之間形成的電勢(shì)差越大，勢(shì)壘就越高，使得由帶帶隧穿產(chǎn)生的空穴穿過(guò)N+摻雜區(qū)的幾率變小，難以通過(guò)N+摻雜區(qū)流向本征區(qū)再在源電極處流出，更多的空穴會(huì)被N+摻雜區(qū)阻礙，從而減小了反向漏電流的大小。因此N+區(qū)摻雜濃度越高越好。也由此項(xiàng)參數(shù)分析得出，在此器件結(jié)構(gòu)中，N+區(qū)域的存在對(duì)減小反向泄漏電流有著重要作用。

圖3器件橫截平面電勢(shì)分布圖

4 N+摻雜區(qū)長(zhǎng)度對(duì)器件性能的影響

N+摻雜區(qū)長(zhǎng)度LN+逐漸改變（從2nm到80nm）對(duì)器件性能造成影響的情況如圖4所示。其中圖4(a)給出了Ids-Vds曲線(xiàn)，同時(shí)也給出了其他參數(shù)在此時(shí)的設(shè)置值。從仿真結(jié)果可知，隨著LN+逐漸變長(zhǎng)，正向?qū)娏鲙缀醪蛔?，反向泄漏電流則被明顯抑制，靜態(tài)功耗點(diǎn)顯著降低。圖4(b)顯示了不同LN+下的開(kāi)斷電流比（Ion-Ioff）曲線(xiàn)和亞閾值擺幅（SS）曲線(xiàn)。如圖所示，隨著LN+的增加，由于正向電流幾乎不變，反向泄漏電流被明顯抑制，器件的平均亞閾值擺幅顯著降低，開(kāi)斷電流比增大。

圖4受LN+影響的特性曲線(xiàn)

圖5給出了柵電壓反向偏置時(shí)不同LN+下的空穴濃度在橫截平面內(nèi)的分布情況。空穴濃度是反向漏電流的主要成分。當(dāng)LN+=2nm時(shí)，空穴濃度最小值處在N+區(qū)附近，約為1017cm-3。當(dāng)LN+=80nm時(shí)，在相同位置處，空穴濃度約為1014cm-3。N+摻雜區(qū)長(zhǎng)度的增加，提高了N+區(qū)對(duì)空穴的阻礙作用，減小了反向泄漏電流的大小。這是由于空穴在流經(jīng)N+摻雜區(qū)的過(guò)程中，N+摻雜區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，就會(huì)有越多的空穴在流出N+區(qū)域過(guò)程中被電子復(fù)合掉，這就減少了N+區(qū)空穴流向源電極的數(shù)量。因此增加N+摻雜區(qū)的橫向長(zhǎng)度可以有效地鎖住空穴流出N+摻雜區(qū)，從而達(dá)到減小反向泄漏電流的目的。平均亞閾值擺幅（SS）可以減小到40.2mV/dec，提高器件的開(kāi)關(guān)速度。電流開(kāi)斷比可以增加至108以上。

圖5器件空穴濃度分布圖

5 本征區(qū)長(zhǎng)度對(duì)器件性能的影響

對(duì)器件的另一區(qū)域進(jìn)行仿真，分析N+摻雜區(qū)和單側(cè)S/D區(qū)域之間的本征區(qū)長(zhǎng)度Li的變化對(duì)器件導(dǎo)電特性的影響。

不同本征區(qū)長(zhǎng)度Li對(duì)器件性能造成影響的情況如圖6所示。

其中圖6(a)給出了Ids-Vds曲線(xiàn)，同時(shí)也給出了其他參數(shù)在此時(shí)的設(shè)置值。由圖可見(jiàn)，隨著Li從4nm增加到100nm，新型隧穿晶體管的正向?qū)娏髟谳p微減小，在此次仿真的邊界參數(shù)設(shè)置下，即Li=4nm和Li=100nm情況下，正向?qū)娏飨嗖畈坏揭粋€(gè)數(shù)量級(jí)。由此可見(jiàn)，本征區(qū)長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，抑制了正向?qū)娏鞯拇笮。瞧溆绊懩芰^小，這是由于本征區(qū)域的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，本征電阻值越大，導(dǎo)電溝道電阻越大，從而導(dǎo)致了電流整體減小。

在希望得到更大正向?qū)娏鞯那闆r下，應(yīng)該使得本征區(qū)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好。但是相較于正向?qū)娏?，本征區(qū)長(zhǎng)度的選擇對(duì)反向泄露電流的影響情況稍稍復(fù)雜了一些。當(dāng)本征區(qū)長(zhǎng)度小于7nm時(shí)，隨著Li數(shù)值設(shè)置的減小，反向泄露電流會(huì)有極大增加，從而極大減小了隧穿晶體管作為開(kāi)關(guān)器件的有效工作區(qū)域，當(dāng)Li=4nm時(shí)器件已經(jīng)無(wú)法處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)本征區(qū)的長(zhǎng)度在7nm以上時(shí)，Li的大小對(duì)反向泄漏電流的影響與正向?qū)娏鞯挠绊懸恢隆＜词钦f(shuō)，當(dāng)本征區(qū)Li具備一定長(zhǎng)度時(shí)，正向?qū)娏髋c反向泄露電流表現(xiàn)出的規(guī)律性一致。

圖6(b)是器件在不同Li值下的平均亞閾值擺幅曲線(xiàn)和電流開(kāi)斷比曲線(xiàn)，可以看出，平均亞閾值擺幅和電流關(guān)斷比在本征區(qū)長(zhǎng)度Li=10nm時(shí)最優(yōu)。

圖6受本征區(qū)長(zhǎng)度影響的特性曲線(xiàn)

柵極處于反偏狀態(tài)下器件內(nèi)部橫截面上的電場(chǎng)分布情況如圖7所示。電場(chǎng)強(qiáng)度可以直觀反映出器件內(nèi)部發(fā)生帶帶隧穿效應(yīng)的強(qiáng)弱。通過(guò)對(duì)比圖7(a)和圖7(b)的電場(chǎng)在不同Li條件下的分布情況可以看出，在期望獲得更高正向?qū)娏?，以減小本征區(qū)長(zhǎng)度來(lái)減小本征電阻，從而增大正向?qū)娏鞯耐瑫r(shí)，也令在P+摻雜區(qū)和N+摻雜區(qū)之間區(qū)域的電勢(shì)分布變得更陡，電場(chǎng)強(qiáng)度更大，使得這一部分的能帶彎曲變大，這加劇了帶帶隧穿效應(yīng)，產(chǎn)生等多的電子空穴對(duì)也增加了反向漏電流。由圖可見(jiàn)，當(dāng)Li的值設(shè)置得特別小時(shí)，例如當(dāng)Li=4nm時(shí)，在P+摻雜區(qū)和N+摻雜區(qū)之間的本征區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)強(qiáng)于漏電極附近的本征區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度。這是由于當(dāng)Li足夠長(zhǎng)時(shí)，柵電極對(duì)本征區(qū)（導(dǎo)電溝道）的影響范圍無(wú)法覆蓋整個(gè)本征區(qū)，電場(chǎng)在離開(kāi)“覆蓋區(qū)”的位置時(shí)快速下降。而當(dāng)Li長(zhǎng)縮短為4nm時(shí)，在N+區(qū)兩側(cè)峰值電場(chǎng)強(qiáng)度要比Li為100nm時(shí)大很多。反向漏電流的大小此時(shí)幾乎不變，已不再受到柵極控制。因此在希望正向?qū)娏鞲蠖鴾p小本征區(qū)長(zhǎng)度時(shí)，也要考慮本征區(qū)長(zhǎng)度對(duì)反向泄露電流的影響。為了器件可以工作在正常狀態(tài)下，同時(shí)有效區(qū)域更長(zhǎng)，平均亞閾值擺幅更小，Li的值理應(yīng)不小于7nm。當(dāng)Li=10nm時(shí)，新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)器件的平均壓閾值擺幅可以減小到41.0mV/dec，同時(shí)開(kāi)斷電流比值可以超過(guò)108。

圖7器件橫截面電場(chǎng)分布圖

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于此款新設(shè)計(jì)的具有雙向開(kāi)關(guān)特性的帶帶隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真分析了各關(guān)鍵參數(shù)的改變對(duì)器件電學(xué)特性的影響。通過(guò)仿真結(jié)果可見(jiàn)，N+區(qū)的主要作用是抑制反向泄漏電流，其存在的必要性也得到了驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)N+區(qū)摻雜濃度、N+區(qū)長(zhǎng)度和本征區(qū)長(zhǎng)度的改變進(jìn)行仿真分析，依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，給出了優(yōu)化后的參數(shù)。最終實(shí)現(xiàn)的隧穿晶體管開(kāi)關(guān)特性較為良好，靜態(tài)功耗較低，有著低的亞閾值擺幅，低的反向漏電流，與CMOS在工藝上也更為兼容。