雙肖特基勢壘型異或非可重構場效應晶體管研究

王 妍，靳曉詩

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽 110870）

1 引言

在當前集成電路的發展中，MOSFET的尺寸已縮減到10nm節點，這也伴隨而生了功耗、制造、物理和芯片成本等技術問題[1-2]，可重構晶體管（RFET）便應運而生了。RFET可通過改變外加電壓的極性來控制溝道內部載流子的極性,實現器件N型與P型之間的轉換[3]，相當于單個器件有了兩個器件的功能，從而能夠使用更少的晶體管來實現功能更復雜的電路[4-6]。依據RFET特殊的工作方式，在此提出一種新型的可重構晶體管，僅通過一個晶體管就實現集成電路中異或非邏輯功能[7-8]，能夠極大簡化異或非門電路的復雜度。

2 器件結構與工作原理

與傳統的可RFET不同，新設計的器件采用源區和漏區雙層具有肖特基勢壘的阻擋型接觸結構，在源區或漏區縮減至納米級尺寸時，結合柵電極的共同作用，即可使器件實現異或非功能。在簡化異或非門電路結構的同時，確保集成電路在極端尺寸下可以穩定工作。無論兩個柵極中哪個為主控柵極，哪個為輔助柵極，都可獲得更高晶體管輸出工作一致性，功耗需求也更小。

新設計器件可稱為雙肖特基勢壘型異或非可重構場效應晶體管（BSBRFET），其結構圖如圖1所示。此處以N型為例，源極和漏極分別位于結構兩側，源極為梯形結構，位于左側，漏極為矩形，位于右側；浮動源極為正八邊形結構的一半，嵌在本征半導體中。源極、漏極和浮動源極都直接與半導體接觸，形成肖特基勢壘。柵極有兩個，其一為位于中間的柵極（CG），分兩部分，隔著柵極絕緣層靠在浮動源極右半邊的前后兩側，其長度與浮動源極相同；另一個為兩側的柵極（PG），由四部分構成，分別隔著柵極絕緣層靠在源極的前后兩側（長度長于源極一倍，隔著柵極絕緣層與浮動源極左側齊平）和隔著柵極絕緣層靠在距離漏極左側5nm處的前后兩側。

圖中，LS、LD分別源和漏的長度；tox為柵極氧化物的厚度；LSF是源和浮動源極內硅區域的長度；LFD是浮動源極到漏極內硅區域的長度；LF為浮動源極長度；WSO為源極到柵極絕緣層寬度；WSI為硅體的寬度；TSI為硅體的高度。

圖1 新設計BSBRFET結構圖

金屬和半導體接觸形成肖特基勢壘。由于需要的輸出工作的一致性更高，肖特基勢壘要位于禁帶中央位置，設置為等于。以N型為例，能帶示意圖如圖2所示。

圖2 新設計BSBRFET能帶圖

如圖2(a)，主柵極PG和輔助柵極CG都處于正向偏置，電子空穴對在源極與半導體接觸處發生帶帶隧穿，流向中間浮動源極處，并在浮動源極與右側半導體接觸處再次發生帶帶隧穿，導帶中的電子流到漏極，器件從而導通。

如圖2(b)，主柵極PG反向偏置而輔助柵極CG仍然保持正向偏置狀態，中間由帶帶隧穿產生電子空穴對，然而由于主柵極反向偏置，電子流向金屬一側，在價帶留下空位，形成空穴堆積狀態；又由于正向偏置的輔助柵極產生勢壘阻擋，可有效防止電子流過，因此大量反向偏置漏電流在此被阻攔。

3 晶體管特性分析

為驗證該結構的性能，通過Silvaco TCAD軟件進行模擬仿真，驗證BSBRFET的特性。仿真采用的物理模型包括遷移率模型、俄歇復合模型、Shock-Read-Hall模型、帶隙變窄模型、標準帶帶隧穿模型和Boltzmann統計模型。

3.1 XNOR邏輯功能

在源極和漏極之間施加電勢差，通過對CG和PG同時施加負電壓，即兩個柵極同時處于“0”狀態，利用本征半導體的左右兩側在高電場強度的作用下所產生的隧道效應，使得帶正電的載流子——空穴可以從源極和漏極之中處于電勢較高的一端流向電勢較低的一端，晶體管處于導通狀態，即“1”狀態。

在源漏極之間存在電勢差時，對CG和PG同時施加正向電壓，即同時處于“1”狀態，同樣由于隧道效應，使得帶負電的載流子——電子可以從源極和漏極之中處于電勢較低的一端流向電勢較高的一端，晶體管處于導通狀態，即“1”狀態。

同樣，在源極和漏極之間施加電勢差，再對CG和PG同時施加彼此相反的電壓，即一個處于“0”狀態，一個處于“1”狀態，利用當中處于“1”狀態下的那一個來阻擋半導體隧道效應導致的空穴載流子流動，同時利用處于“0”狀態的一個來阻擋半導體隧道效應導致的電子載流子流動，使器件處于關斷狀態，即“0”狀態。

通過上述操作，即可實現異或非（XNOR）邏輯功能：兩個柵極作為XNOR門的兩個輸入，漏極電流作為輸出；正電壓為“1”，負電壓為“0”；器件導通為“1”，截止為“0”。器件的操作類型（N或P)也取決于兩個柵極和漏極的極性。整體邏輯功能的實現情況如表1所示。

表1 實現XNOR運算的BSBRFET狀態表

3.2 輸出特性一致性功能

傳統的RFET中當兩個柵極分別作為控制柵極時，導通機理是不同的，其一是MOS導通，另一個是肖特基勢壘導通。MOS導通需要在溝道內形成反型層，而電子在反型層具有電阻的特性，使得在小范圍內相同電壓下的導通電流更小。

BSBTFET中兩個柵極分別做控制柵時，導通機理都是肖特基勢壘帶帶隧穿導通。電壓相同時，能帶彎曲程度相同，電子隧穿數量相近，導通電流接近，曲線輸出一致性高。

仿真最終得到一系列以柵壓作為參數的轉移特性曲線，如圖3所示。

圖3 以柵壓為參數的轉移特性仿真曲線

圖3(a)、圖3(b)所描述過程，對應了XNOR功能的實現；在圖3(c)中，ID-VCG/ID-VPG曲線重疊程度高，這是因為不論對于PG與CG哪一個控制門，設備的傳導機制都是基于肖特基勢壘的隧穿，導通機理相同，輸出特性就趨于一致。

4 結束語

有著全新設計結構的雙肖特基勢壘型異或非可重構晶體管，是對現有RFET產品的一次成功的改進，它在單個器件結構中完全利用肖特基勢壘隧穿效應導通機制，實現了XNOR邏輯門功能。新設計BSBRFET的輸出工作一致性更高，同時還具有高導通電流、低亞閾值擺幅、小漏電流、高靈敏度和高集成度等優點，具有廣闊的應用前景。