主輔柵分立的U溝道XNOR場(chǎng)效應(yīng)晶體管

李 龍，靳曉詩，韓賢雨

（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

根據(jù)摩爾定律，當(dāng)芯片的價(jià)格固定不變，集成電路可容納的器件數(shù)量將會(huì)三年翻兩倍，同時(shí)性能也將會(huì)提升一倍[1]。這就要求對(duì)器件的尺寸與性能進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。主輔柵分立U溝道異或非場(chǎng)效應(yīng)晶體管的提出，便是對(duì)傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)化升級(jí)。U形的溝道設(shè)計(jì)，是在傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)上，增加兩條垂直方向的溝道，在面積不變的情況下，使得器件有效長(zhǎng)度增加。由此不僅可以很好的解決短溝道效應(yīng)帶來的問題，還提高了芯片的集成度[2]。這一新型器件采取金屬與體硅的肖特基類型的接觸方式，利用肖特基勢(shì)壘的隧穿效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通。通過分立雙柵來控制溝道載流子分布情況，能夠有效減少反向漏電流[3]。通過改變雙柵所加電壓的極性，還可實(shí)現(xiàn)異或非XNOR的邏輯功能。

2 器件設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 器件結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵參數(shù)

在Silvaco TCAD仿真軟件Devedit3D模塊中生成所設(shè)計(jì)器件的模型平面圖，如圖1所示。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)已在圖中標(biāo)出。在垂直溝道的頂端用金屬鋁作為源極與漏極，金屬Al與半導(dǎo)體Si接觸形成肖特基勢(shì)壘?？拷礃O的柵為主控柵電極，靠近漏極的柵為輔控柵電極。主控柵和輔控柵既控制源、漏區(qū)的帶帶隧穿，又控制溝道載流子的分布情況。主、輔控制柵在空間上呈互相平行的位置關(guān)系，并且能夠?qū)Υ怪睖系肋M(jìn)行三面控制。在柵極與體硅體之間以具有高介電常數(shù)的絕緣材料二氧化鉿為絕緣層，且兩柵之間也是以二氧化鉿為絕緣層。各參數(shù)的具體數(shù)值如下表1所示。

圖1 器件設(shè)計(jì)模型仿真結(jié)構(gòu)圖

表1 仿真參數(shù)表

2.2 工作原理

新型晶體管利用金屬鋁與體硅接觸形成肖特基勢(shì)壘，利用帶帶隧穿效應(yīng)形成導(dǎo)通電流[4]。其中，主輔兩柵施加偏壓后，其上部分控制著源漏區(qū)的能帶彎曲程度，下部分的工作原理與傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理相同[5]。利用主柵與輔柵的共同作用，來完成對(duì)源漏區(qū)帶帶隧穿以及對(duì)溝道載流子的控制作用，從而實(shí)現(xiàn)器件的XNOR邏輯功能。

以N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管為例，當(dāng)給主輔兩柵加正偏電壓時(shí)，半導(dǎo)體與金屬之間的勢(shì)壘高度降低，半導(dǎo)體中的電子能級(jí)相對(duì)于金屬能級(jí)向上移動(dòng)，使得電子更容易移向金屬，形成導(dǎo)通電流[6]。在處處正偏的兩個(gè)柵極中，載流子主要為帶帶隧穿所產(chǎn)生的電子。電子由源極流出并受到柵壓的影響，匯聚在U溝道表面形成漏電流。當(dāng)主柵正偏，輔柵反偏時(shí)，輔助柵會(huì)阻止形成電子通道，進(jìn)而阻止源極產(chǎn)生的電子向漏極的運(yùn)動(dòng)，最終令器件處于關(guān)閉狀態(tài)[7]。

同理，以P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管為例，當(dāng)主輔兩柵加反偏電壓時(shí)，載流子主要為空穴，主要通過源極帶帶隧穿產(chǎn)生。當(dāng)主輔兩柵均處于反偏狀態(tài)時(shí)，晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)?？昭ㄓ捎谑軚艍河绊懀瑓R聚在溝道表面，形成從源極到漏極的導(dǎo)通電流，使晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)主柵正偏、輔柵反偏時(shí)，輔柵會(huì)阻止空穴載流子向漏極運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而阻斷漏電流，最終使晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)[8]。

綜上所述，在主柵與輔柵共同作用的新型晶體管中，其XNOR邏輯功能主要取決于主柵與輔柵的偏置狀態(tài)。其輸入輸出情況如表2所示。

3 仿真分析

采用Silvaco TCAD仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)器件進(jìn)行仿真研究。其中，用Devedit3D對(duì)器件進(jìn)行尺寸設(shè)定；在deckbuild中調(diào)用Atlas語句對(duì)新型器件進(jìn)行直流特性分析；在仿真過程中運(yùn)用多種物理模型與數(shù)值計(jì)算方法。物理模型主要有橫向電場(chǎng)依賴模型（tasch）、肖特基復(fù)合模型（consrh、srh）、帶帶隧穿模型（bbt.std）、能帶變窄模型（bgn）、俄歇復(fù)合模型（auger）；數(shù)值計(jì)算方法主要有Newton迭代法、Gummel迭代法、Block迭代法和組合迭代法。

3.1 以柵壓為參數(shù)的轉(zhuǎn)移特性

在仿真中給漏極施加固定的0.2V電壓，令源極接地。利用控制變量法，給主柵與輔助柵分別施加不同數(shù)值與不同極性的的偏置電壓。通過仿真軟件，仿真出源漏電流的直流特性Vcg-I與Vpg-I曲線，如圖2與圖3所示。

圖2 以Vpg為參數(shù)的Vcg-I曲線

圖3 以Vcg為參數(shù)的Vpg-I曲線

主柵與輔柵的作用，一方面是控制源漏區(qū)的帶帶隧穿效應(yīng)，另一方面是控制溝道中載流子的傳輸，減少溝道中的反向漏電流。在圖2中，以N型為例，當(dāng)主柵電極一定時(shí)，對(duì)輔助柵施加不同的電壓強(qiáng)度，對(duì)能帶彎曲的影響不同。Vpg電壓越大，能帶彎曲越大，由空穴引起的肖特基勢(shì)壘越高，進(jìn)而可更有效地減少反向漏電流。在圖3中，仿真的是新型晶體管的導(dǎo)通機(jī)制，其導(dǎo)通原理和傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管原理相同。當(dāng)輔柵電壓一定時(shí)，對(duì)主柵施加不同的電壓強(qiáng)度?？梢钥闯觯鳀排c輔柵共同作用，兩柵控制對(duì)源漏區(qū)的能帶彎曲又抑制反向漏電流，且控制著溝道中載流子的傳輸。當(dāng)Vcg越大，能帶彎曲的程度越大，越容易發(fā)生隧穿效應(yīng)，越有利于溝道中載流子的傳輸，正向?qū)娏饕簿驮酱蟆?/p>

綜上可見，肖特基勢(shì)壘的雙柵設(shè)計(jì)既能讓載流子最大限度地從源極流向漏極，又能利用肖特基勢(shì)壘更好地抑制反向漏電流。

3.2 XNOR邏輯功能仿真

由圖1、表2以及圖3的仿真結(jié)果可知，新型晶體管通過對(duì)主柵與輔柵施加偏置電壓來實(shí)現(xiàn)其XNOR邏輯功能。以主柵和輔柵所輸入的電壓為輸入，以漏電流為輸出，當(dāng)Vcg與Vpg的極性相同時(shí)，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)Vcg與Vpg的極性不同時(shí)，器件處于關(guān)閉狀態(tài)。以漏電流為XNOR輸出結(jié)果的等高線圖如圖4所示。

圖4 以漏電流為XNOR輸出結(jié)果的等高線圖

由圖4可知，當(dāng)主柵與輔柵所加電壓極性相同時(shí)，即同為正偏或反偏時(shí)，圖中顏色越淺，對(duì)應(yīng)圖標(biāo)可知Ids很大，表示導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)邏輯功能為輸出“1”。同理，當(dāng)極性不同時(shí)，顏色越淺，對(duì)應(yīng)圖標(biāo)可知Ids很小，表示截止，對(duì)應(yīng)邏輯功能為輸出“0”。如此，控制兩個(gè)柵極的輸入電壓的極性，便可以實(shí)現(xiàn)器件的異或非的邏輯功能。

4 結(jié)束語

采用主輔柵分立設(shè)計(jì)的U溝道異或非場(chǎng)效應(yīng)晶體管，很好地解決了短溝道效應(yīng)和源漏隧穿等傳統(tǒng)場(chǎng)晶體管所具有的缺陷，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)異或非的邏輯功能，同時(shí)降低反向漏電流與亞閾值擺幅，提高晶體管的集成度。新設(shè)計(jì)在多方面體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。