導(dǎo)通類(lèi)型可調(diào)的無(wú)摻雜MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

李 權(quán)，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

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路向著更小尺寸方向不斷發(fā)展，這就對(duì)作為集成電路的基本單元——MOSFET器件提出了同樣的要求。傳統(tǒng)的MOSTET器件，即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其導(dǎo)通機(jī)理是基于不同載流子類(lèi)型而表現(xiàn)為不同的導(dǎo)通類(lèi)型，即可分為N-MOSFET和P-MOSFET兩種。傳統(tǒng)器件每次工作只會(huì)工作在一種工作模式下，器件功能單一，可實(shí)現(xiàn)功能少，這與現(xiàn)代科技的發(fā)展要求產(chǎn)生了一定的差距。因此人們對(duì)MOSFET的要求進(jìn)一步提高，不僅要求在尺寸上達(dá)到更小的級(jí)別，同時(shí)也要求在器件功能上實(shí)現(xiàn)更多可能的選擇[1]。同時(shí)，MOSFET器件導(dǎo)通機(jī)理受到漂移、擴(kuò)散的的影響，熱壓閾值也只能降到65mV/dec，因此降低熱壓閾值也是目前需要解決的問(wèn)題之一。綜合考慮上述問(wèn)題，在此提出一種新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在器件尺寸上進(jìn)一步縮小，并在保證正常MOSFET的邏輯功能的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)控制柵施加不同電壓，實(shí)現(xiàn)不同導(dǎo)通類(lèi)型之間的可調(diào)互換，靈活地適應(yīng)更為復(fù)雜的新技術(shù)需求。

2 器件設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 器件關(guān)鍵參數(shù)

所設(shè)計(jì)器件以雙側(cè)浮動(dòng)?xùn)艠O結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通類(lèi)型的可調(diào)，且具有無(wú)摻雜的特點(diǎn)，其在Silvaco TCAD軟件中Devedit模塊中生成的平面示意圖如圖1所示。所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)已在圖中標(biāo)出[2]。

圖1 平面示意圖及關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)注

由圖中可見(jiàn)該器件同時(shí)具有控制導(dǎo)通類(lèi)型的雙側(cè)浮動(dòng)?xùn)艠O和中央控制柵極。在柵極與硅體之間用HfO（2二氧化鉿）作為絕緣層，外側(cè)周?chē)鷦t用SiO2來(lái)做絕緣層。其中，W是溝道寬度；L是溝道長(zhǎng)度；Ws是源漏寬度；Wfg是兩側(cè)浮動(dòng)?xùn)艠O寬2度；Wpg是中央控制柵寬度；Lpg是中控制柵長(zhǎng)度；tHfO是柵極與硅體之間絕緣層厚度；tox1、tox2、tox3皆為SiO2絕緣層厚度。各參數(shù)的具體數(shù)值如表1所示。

表1 參數(shù)數(shù)值

2.2 工作原理

所設(shè)計(jì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏、源電極均采用金屬材質(zhì)（Al）。電極金屬與半導(dǎo)體Si接觸形成金屬結(jié)，并在源漏區(qū)接觸處形成肖特基勢(shì)壘，借助于載流子隧穿效應(yīng)形成導(dǎo)通電流。新結(jié)構(gòu)中，兩側(cè)的浮動(dòng)控制柵極是通過(guò)帶帶隧穿機(jī)理來(lái)提供正向?qū)娏鳎焕猛蛔兘饘俳Y(jié)在半導(dǎo)體處提供一種比P+/N+結(jié)更強(qiáng)烈的帶帶隧穿[3]。兩側(cè)浮動(dòng)制柵極主要控制源、漏區(qū)。中央控制柵極的導(dǎo)通機(jī)制與傳統(tǒng)MOSFET導(dǎo)通機(jī)理相同。

在N-MOSFET情況下，各處柵極均正偏，由源極提供帶帶隧穿產(chǎn)生的電子空穴對(duì)[4]。從源極流出的電子受到兩側(cè)控制柵極的控制在溝道兩側(cè)集中，積累起來(lái)的電子以漏電流形式從源極不斷流向漏極，器件因此導(dǎo)通。此時(shí)若令兩側(cè)柵極正偏，而使中央柵極反偏，電子依舊從源極流出在溝道兩側(cè)集中并流向漏極，器件關(guān)斷[5]。

P-MOSFET與N型相似，若各處柵極均為反偏，電子空穴對(duì)主要在源極由帶帶隧穿產(chǎn)生，在兩側(cè)控制柵極的柵控作用下，從源極流出的空穴在溝道兩側(cè)聚焦，數(shù)量不斷積累，形成從源極到漏極的源源不斷的漏電流，使器件呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)。反之，如果兩側(cè)控制柵極保持反偏不變，中央控制柵極改為正偏，空穴將由源極流出聚集在溝道兩側(cè)，此時(shí)處于正偏狀態(tài)的中央控制柵會(huì)阻止空穴繼續(xù)向漏極流動(dòng)，使器件進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)[6]。

3 仿真與分析

通過(guò)Silvaco TCAD半導(dǎo)體仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真與分析研究。通過(guò)DevEdit編輯器件二維結(jié)構(gòu)尺寸，在DeckBuild中調(diào)用Atlas仿真語(yǔ)句進(jìn)行導(dǎo)通特性仿真分析，最后經(jīng)視圖工具Tonyplot顯示仿真結(jié)果，并對(duì)圖像進(jìn)行測(cè)量、分析[7]。詳細(xì)仿真結(jié)果如下：

如圖2所示為仿真得到的直流特性仿真曲線。此時(shí)漏極電壓固定在0.2V，中央控制柵極電壓固定在-0.8V，側(cè)柵電壓Vfg分別為-0.5V和0.5V。曲線呈現(xiàn)的是以中央控制柵電壓Vpg作為參數(shù)的Vpg-IDS轉(zhuǎn)移特性。此時(shí)當(dāng)Vfg=0.5V，器件的導(dǎo)通類(lèi)型為NMOSFET；而當(dāng)Vfg=-0.5V，器件導(dǎo)通類(lèi)型則轉(zhuǎn)換為P-MOSFET。由此通過(guò)對(duì)柵壓的改變實(shí)現(xiàn)了器件導(dǎo)通類(lèi)型的轉(zhuǎn)變。

圖2 不同V pg極性下的輸出特性仿真曲線

由仿真曲線可以看出，通過(guò)改變Vfg的電壓極性可以指定器件類(lèi)型（N-MOSFET或P-MOSFET），但不管它是作為N-MOSFET還是P-MOSFET，中央控制柵電極Vpg仍然作為開(kāi)關(guān)控制著整體晶體管的開(kāi)啟與關(guān)斷[8]。

如圖3所示為對(duì)Vfg施加反偏時(shí)的輸出特性仿真結(jié)果。漏極施外固定電壓0.2V，中央柵極施加固定電壓-0.8V，Vfg在-0.2V到-0.8V之間變化。

圖3 V fg反偏時(shí)的輸出特性仿真曲線

由仿真曲線可以看出，當(dāng)Vfg＜0時(shí)，MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為P-MOSFET工作，當(dāng)Vpg一定時(shí)，隨著Vfg反向增大，兩側(cè)控制柵電極對(duì)溝道的柵控作用增強(qiáng)，溝道內(nèi)的空穴不斷的匯聚，源源不斷流向漏極，使得漏極電流增大。

如圖4所示為對(duì)Vfg施加正偏時(shí)的輸出特性仿真結(jié)果。漏極施加固定電壓0.2V，中央柵極施加固定電壓-0.8V，Vfg在0.2V到0.8V之間變化。

圖4 V fg正偏時(shí)的輸出特性仿真曲線

由仿真曲線可以看出，當(dāng)Vfg＞0時(shí)，MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為N-MOSFET工作，當(dāng)Vpg一定時(shí)，隨著Vfg正向增大，兩側(cè)浮動(dòng)?xùn)烹姌O對(duì)溝道的柵控作用增強(qiáng)，溝道內(nèi)的電子不斷的聚集，源源不斷從源極流向漏極，使得漏極電流增大。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出的一種導(dǎo)通類(lèi)型可調(diào)的無(wú)摻雜MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通過(guò)結(jié)合TFET和MOSFET的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，通過(guò)改變控制柵極的電壓極性即可改變整體器件的導(dǎo)通類(lèi)型。通過(guò)仿真分析，可對(duì)器件各方面進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化以達(dá)到最佳特性。中央主控制柵的兩側(cè)輔助控制柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有很大的發(fā)展前景，器件不僅結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，還在很大程度上克服了短溝道效應(yīng)，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，有益于在工藝上實(shí)現(xiàn)更高的集成度。