一種非易失性可重構(gòu)場效應(yīng)晶體管研究

連丹純，劉 溪

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

1 引言

極性可控場效應(yīng)晶體管，或稱可重構(gòu)場效應(yīng)晶體管（RFET），作為一個(gè)單一設(shè)備，可通過在操作期間重置施加在程序門上的電壓來靈活配置為N型或P型FET[1-3]。RFET以這一功能特點(diǎn)，在可編程邏輯陣列中發(fā)揮著獨(dú)特的優(yōu)勢，使用比傳統(tǒng)CMOS技術(shù)更少的晶體管實(shí)現(xiàn)各種邏輯門[4-8]。然而，額外的編程門從本質(zhì)上增加了金屬互連的難度，與單柵結(jié)構(gòu)相比，當(dāng)器件處于關(guān)閉狀態(tài)或反向偏置狀態(tài)時(shí)，始終在高壓水平下工作的程序門引起的局部電場增強(qiáng)也會增強(qiáng)頻帶彎曲，導(dǎo)致隧穿效應(yīng)，增加功耗。這種效應(yīng)對于高度集成的RFET尤其顯著。當(dāng)編程門和控制門應(yīng)用于極性相反的電壓時(shí)，這兩個(gè)門之間區(qū)域的隧穿效應(yīng)將顯著增強(qiáng)。針對這一問題，在此提出一種非易失性浮動可編程門可重構(gòu)場效應(yīng)晶體管（FPG-RFET）。

2 器件結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的RFET不同，F(xiàn)PG-RFET引入了非易失性電荷存儲層作為浮動程序門，而不是需要獨(dú)立電源的程序門，在浮動程序門中存儲的電荷可以通過控制門進(jìn)行編程，所以本質(zhì)上只需要一個(gè)獨(dú)立供電的門即可完成可重構(gòu)操作。此外，控制門可以調(diào)節(jié)浮動編程門中的等效電壓，有效地降低靜態(tài)功耗和逆漏電流的產(chǎn)生。新設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新設(shè)計(jì)FPG-RFET結(jié)構(gòu)圖

可見，所設(shè)計(jì)器件為平面溝道。以N型為例，源/漏極與硅界面形成具有肖特基接觸的阻擋結(jié)。采用金屬結(jié)在源漏區(qū)處形成肖特基勢壘，同時(shí)引入非易失性電荷存儲層作為浮柵控制門。當(dāng)控制門寫入電荷被設(shè)置在特定值，即可調(diào)節(jié)器件的導(dǎo)通類型。以N型為例，新設(shè)計(jì)器件能帶分布情況如圖2所示。

圖2 新設(shè)計(jì)器件能帶圖

當(dāng)非易失性電荷存儲層被寫入正電荷時(shí)，開關(guān)裝置工作在N模式。當(dāng)柵電極處于正偏，如圖2(a)，寫入正電荷的非易失性電荷存儲層和柵電極均對半導(dǎo)體隧穿層的隧道效應(yīng)有所加強(qiáng)，因此可以產(chǎn)生較大的正向?qū)娏?。電子空穴對主要由源區(qū)的帶帶隧穿產(chǎn)生?？昭飨蛟礃O，導(dǎo)帶電子可以容易地流向漏極，對于電子從源極到漏極沒有形成勢壘。

當(dāng)柵電極處于反偏時(shí)，如圖2(b)，寫入正電荷的非易失性電荷存儲層和柵電極對半導(dǎo)體隧穿層所產(chǎn)生的隧道效應(yīng)會抵消掉一部分，使得此時(shí)產(chǎn)生的反向泄露電流遠(yuǎn)小于正向?qū)娏?，?shí)現(xiàn)開關(guān)裝置的低反向漏電特性。電子空穴對主要由漏區(qū)帶帶隧穿產(chǎn)生，電子流向漏極。加入正電荷的浮動控制門會對空穴形成一個(gè)潛在的勢壘，能夠有效地阻止空穴從漏極流向源極，大量漏電流因此受到阻止[9]。

3 與傳統(tǒng)RFET性能比較

通過Silvaco Tools器件模擬來驗(yàn)證所提FPGRFET與相同尺寸下傳統(tǒng)RFET的性能對比。如圖3所示為兩者傳輸特性曲線的對比結(jié)果?？梢姡瑑烧叩姆聪螂娏骰疽恢?，而FPG-RFET具有較高的正向電流，幾乎高出一個(gè)數(shù)量級。

圖3 兩種器件轉(zhuǎn)移特性對比

兩者能帶圖對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種器件能帶圖對比

可見，正偏條件下，F(xiàn)PG-RFET從源到漏的能帶彎曲比傳統(tǒng)RFET更平滑，故而可以擁有更高的正向電流。反偏條件下，兩者能帶圖基本一致，此證明二者在反向漏電流上具有同等的性能。

4 電荷數(shù)量對轉(zhuǎn)移特性的影響

向浮柵中加入不同電荷數(shù)量，相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線會顯示出明顯差異，如圖5所示。

圖5 浮柵中電荷數(shù)量對轉(zhuǎn)移特性曲線的影響

轉(zhuǎn)移特性曲線可分為三個(gè)工作狀態(tài)區(qū)：正向?qū)▍^(qū)、靜態(tài)工作區(qū)、反向漏電區(qū)。改變電荷數(shù)量對正向?qū)▍^(qū)的影響較為明顯，正向電流隨電荷量的增加而增加；反向漏電區(qū)所受的影響不太明顯，反向漏電流隨電荷的增加而降低，但其變化幅度較正向電流而言要小很多；在靜態(tài)工作區(qū)也有明顯影響，靜態(tài)工作區(qū)電流隨電荷量增大而增大，但同時(shí)也伴隨著亞閾值擺幅的增大。綜合來看，電荷量并不是越多越好，而是存在一個(gè)理想值。

此處以主控柵處于正向偏置和零偏置兩種情況為例，討論應(yīng)當(dāng)加入多少電荷量最為合適。當(dāng)主控柵電極處于正向偏置時(shí)，向FPG-RFET的非易失性電荷存儲層中加入不同電荷量，所引起的電場強(qiáng)度變化情況如圖6所示。兩個(gè)柵極之間的本征區(qū)域受到外加電壓，將導(dǎo)致能帶彎曲，產(chǎn)生帶帶隧穿效應(yīng)。在圖中可以看出，隨著電荷量的增加，F(xiàn)PGRFET的主控柵和浮動控制門之間靠近漏極的本征區(qū)域的電場強(qiáng)度明顯增強(qiáng)了，在該區(qū)域，電場強(qiáng)度大的地方能帶彎折程度更大，隧穿距離更小，隧穿幾率更大，從而產(chǎn)生了更強(qiáng)的帶帶隧穿效應(yīng)，最終形成更大的正向隧穿電流。

圖6 主控柵正偏置時(shí)浮柵電荷對電場的影響

當(dāng)主控柵電極處于零偏電壓下，F(xiàn)PG-RFET浮柵中不同電荷量引起電場強(qiáng)度變化如圖7所示。同樣，可以看出，隨著電荷量的增加，F(xiàn)PG-RFET的主控柵和浮動控制門之間靠近漏極的本征區(qū)域的電場強(qiáng)度也是增強(qiáng)的，出于與正偏條件完全相同的原因，最終也形成了較大的隧穿電流，由此提高了靜態(tài)工作點(diǎn)，改變了亞閾值擺幅。

圖7 主控柵零偏置時(shí)浮柵電荷對電場的影響

至此，針對上述兩種情況，綜合來看，可得到一個(gè)理想的電荷值。在此實(shí)例中，此數(shù)值大約為2.4×10-17C。

5 結(jié)束語

所提出的這一新穎的FPG-RFET，是通過向非易失性電荷存儲層寫入電荷及改變柵電極電壓來實(shí)現(xiàn)對肖特基勢壘隧道效應(yīng)強(qiáng)弱的控制的；改變半導(dǎo)體隧穿層與電極內(nèi)嵌區(qū)之間的阻值，便可控制開關(guān)電流的大小。與傳統(tǒng)的RFET相比，該設(shè)計(jì)具有低靜態(tài)功耗和低反向泄露電流，對器件導(dǎo)通、關(guān)斷和導(dǎo)電類型重置的控制也極為簡便。本設(shè)計(jì)延伸了集成電路設(shè)計(jì)單元的邏輯功能，提供了更好的工作特性，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。