一種基于高肖特基勢壘的高性能隧穿場效應晶體管

李 鑫，劉 溪

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽 110870）

1 引言

根據摩爾定律，器件數量的增多也將預示著器件尺寸的減小。隨著器件尺寸的不斷減小，降低功耗成為了集成電路設計的關鍵問題。現如今，CMOS工藝技術已經進入14 納米時代[1]，尺寸還在繼續縮小，力爭達到7 納米。然而，隨著器件尺寸的減小，一系列問題也隨之而來，例如短溝道效應，即根據源漏區距離不斷縮短，溝道內電場的分布發生變化。又例如熱載流子注入效應對亞閾值擺幅特性產生影響等問題。在此提出一種具有兩側等號形主控制柵的晶體管結構，并在中間增加輔助柵來更好控制有效溝道長度[2]。傳統肖特基勢壘金屬氧化物場效應晶體管是通過降低勢壘的高度來產生大的電流，與此不同的是，本結構通過對禁帶電子勢壘的提高，降低由熱電子激發產生的電流，并增大體硅與源漏電極接觸界面作為正向導通的主要傳導機制，形成帶帶隧穿，使器件具有高導通電流、低亞閾值擺幅和低靜態功耗的特點，能夠實現比傳統隧穿晶體管更大的開啟電流，而且由于結構的對稱性更便于集成。

2 器件工作原理

在對器件的設計中，源、漏電極均采用金屬材質，電極與半導體硅接觸形成金屬結。金屬結在源漏區形成阻擋接觸即肖特基勢壘[3]。載流子發生帶帶隧穿形成導通電流。

在結構中，有一個兩側主控制柵極和一個中央輔助柵極。兩側的主控制柵極形為“等號”，主要利用帶帶隧穿作為正向導通電流的主導物理機制，即利用突變金屬結在半導體處提供一個比P垣/N垣結更強烈的帶帶隧穿，同時還能阻擋熱電子發射電流。兩側主控制柵極主要控制源、漏區。中央輔助控制柵極的導通機制與傳統MOSFET 導通機制相同，為阻擋價帶電流的產生，在此特別引入輔助柵結構以控制體硅區。

以N 型場效應晶體管為例，兩側主控制柵極和中央輔助柵極均為正向偏置，帶帶隧穿所產生的電子空穴對均由源極提供[4]。電子從源極流出，在兩側主控制柵極的控制下匯集在溝道兩側，隨著電子不斷地增加積累，電子從源極持續流向漏極形成漏電流，使器件導通。相反，保持兩側主控制柵極正向偏置不變，令中央輔助柵極反向偏置，電子同樣從源極流出匯集在溝道兩側并流向漏極。但中央輔助柵極反向偏置會阻擋電子流向漏極，使器件處于關斷狀態。

P 型同N 型原理相同，兩側主控制柵極的中央輔助柵極均為反向偏置，帶帶隧穿所產生的電子空穴對由源極提供。空穴從源極流出，在兩側主控制柵極的控制下匯集在溝道兩側，隨著空穴不斷地增加積累，空穴從源極持續流向漏極形成漏電流，使器件導通。反之，保持兩側主控制柵極反向偏置，將中央輔助柵極改為正向偏置，空穴從源極流出匯集在溝道兩側并流向漏極[5]。但中央輔助柵極正向偏置會阻擋空穴向漏極流通，使器件處于關斷狀態。

3 仿真與分析

使用Silvaco TCAD 半導體仿真軟件進行模型結構仿真[6]。結構所采用的模型有玻爾茲曼統計分布函數（Boltzman Distribution Model）、俄歇復合模型（Auger Recombination Model）、肖克基復合模型（Consrh Model）、能帶變窄模型（Band Gap Narrowing Model）以及帶-帶隧穿標準模型（A Standard Band to Band Tunneling Mode Ibbt.std）。

3.1 器件結構及關鍵參數

所設計的高肖特基勢壘的高性能隧穿場效應晶體管的結構如圖1 所示。這是一種具有等號形主控制柵的中央輔助柵場效應晶體管結構，它除了具備源極和漏極之外，還具有兩側等號形主控制柵極和中央輔助控制柵極。圖中，W是溝道寬度；L是溝道長度；Wg是兩側主控制柵極寬度；Wg1是中央輔助柵極寬度；Lg是兩側主控制柵極長度；Lg1是中央輔助柵極長度；LS、LD是源、漏電極長度；WS、WD是源、漏電極寬度；tOX是柵氧化層厚度。各參數的具體數值如表1 所示。

圖1 器件結構示意圖及參數標注

表1 參數數值

3.2 仿真結果

經過仿真，得到具有等號型主控制柵極的中央輔助柵場效應晶體管的以中央輔助柵極Vg1為參數的Vg1-IDS特性曲線，如圖2 所示。實驗中漏極為固定電壓0.1V 且源極接地。通過仿真曲線可以看出，改變Vg1的電壓正、反偏置可以相應地改變器件的類型（N-MOSFET 或P-MOSFET）。不論是對N-MOS FET 或P-MOSFET 操作，中央輔助柵極Vg1對該結構的晶體管都具有開關作用。

圖2 Vg1-IDS 特性仿真曲線

由圖可見，Vg1＞0 時，該器件表現為N 型。中央輔助柵極電壓的變化對正向導通電流及反向漏電流影響不大，對器件靜態漏電流影響較為明顯[7]。隨著Vg1的正向增大，靜態漏電流逐漸降低。由于靜態工作區的柵級電壓極小，此時主要電流是載流子的熱激發運動所產生的。隨著中央輔助柵極電壓的增加，其控制區域的能帶彎曲程度越來越大，對電子的阻擋更強烈，導致流過中央輔助控制柵極的電子數量減小，電流降低。

同理，Vg1＜0 時，該器件表現為P 型。中央輔助柵極電壓的變化對正向導通電流及反向漏電流影響不大，對器件靜態漏電流影響較為明顯。隨著Vg1的反向增大，靜態漏電流逐漸降低。同樣由于靜態工作區的柵壓較小，其主要電流仍為載流子的熱激發運動。隨著中央輔助柵極電壓的增加，其控制區域的能帶彎曲程度越來越大，對空穴的阻擋更強烈，導致流過中央輔助控制柵極的空穴數量減小，電流降低。

圖3 所示為以絕緣氧化層厚度tOX作為可變參數，漏極外加0.1V 固定電壓及源極接地、中央輔助控制柵極為固定電壓0.5 V 條件下的轉移特性曲線。由圖可見，絕緣氧化層選取0.5nm 和11nm 兩個厚度值。當氧化層厚度為1nm 時，正向導通電流及反向漏電流發生明顯降低且正向導通電流降低數值大于反向泄漏電流，反而對靜態工作電流沒有太大影響。由于絕緣氧化層的厚度增加、柵極電壓不變所產生的電場強度降低，導致載流子的帶帶隧穿能力會隨之降低，導致電流減小。

圖3 以絕緣氧化層厚度為參數的特性曲線

圖4 所示為以絕緣氧化層材料厚度作為可變參數，漏極外加0.1V 固定電壓及源極接地，中央輔助控制柵極為固定電壓0.5V 條件下的轉移特性曲線。由圖中可見，材料選取二氧化硅和二氧化鉿兩種。與二氧化鉿相比，二氧化硅作為絕緣氧化層材料使正向導通電流及反向漏電流均減小，氧化層材料對靜態漏電流并沒有太大影響，但二氧化鉿的導電性能優于二氧化硅[8]。由于二氧化鉿是高介電常數材料，禁帶寬度較大，不僅可增強柵極對溝道中載流子的控制能力，還可降低載流子的熱激發效應，造成正向導通電流和反向漏電流同時增大的結果。

圖4 以絕緣氧化層材料為參數的特性曲線

4 結 束 語

提出的一種基于肖特基勢壘的隧穿場效應晶體管，通過結合TFET 和MOSFET 的不同優點，對器件的各方面進行數值優化以達到最佳特性。等號形主控制柵的中央輔助控制柵場效應晶體管器件不僅結構對稱還通過結構的U 型溝道克服了短溝道效應，還提高了導通電流，降低了亞閾值擺幅數值和靜態功耗，具有很好的發展前景。