隧穿场效应晶体管的结构、特性与模型

With the scaling of metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) and with the increase in the device number in an integrated circuit, the power dissipation becomes a fundamental problem. As compared to the conventional MOSFET, tunneling field effect transistor (TFET) can reach a lower subthreshold swing than 60 mV/dec at room temperature, leading to a better switch characteristic and a lower channel leakage at off state. Therefore, TFET has great potential in low power applications. In the recent years, the investigation on TFET has received more attention. The focus of investigation is on the understanding of the fundamental device characteritics, the development of the device fabrication process, and the method in increase the on current. However, for the application of the TFET, there are still many key problems to be understood and solved, and to be investigated deeply and systematically. This project focus on the key issus in the potential application of TFET, and investigate (1) the relationship between the structure, the quantum effect, and the characteristics of TFET, (2) the device modeling of TFET, and (3) the relibility of TFET. The results of this investigation are expected to provide new scientific knowledge and models for the understanding, characterization, and application of the TFET device.

随着金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）尺寸的持续小型化和芯片集成度的不断提高，功耗已经成为制约集成电路发展的一个瓶颈问题。与传统MOSFET比较，隧穿场效应晶体管（TFET）的亚阈值摆幅可以突破传统MOSFET的理论极限（60mV/Dec），其开关特性更加陡峭，沟道漏电（关态电流）更小，因此在低功耗应用中具有重要前景。近年来，TFET的研究受到了国际上的广泛关注，研究的重点集中在了解器件的基本特性，开发器件的制备工艺和提高器件的驱动电流。但是，在TFET通向应用的过程中，目前还有许多关键问题需要了解和解决，需要开展深入系统的研究。本项目针对TFET的关键问题，拟开展下述三个方面研究：（1）TFET的结构、量子效应和电学特性的关系，（2）TFET的器件模型和（3）TFET的可靠性。研究的预期结果将为TFET的特性评估、开发和应用提供新的科学知识和模型。

本项目研究了隧穿场效应晶体管（TFET）的结构、特性和模型。具体研究内容有下述三个方面：TFET的器件结构、量子效应和电学特性，TFET的器件模型，TFET的可靠性。研究的主要成果有：（1）针对双栅结构的硅TFET，通过与计算机模拟（TCAD）结果的比较，我们提出了一个简单的经验解析模型，用于描述这一器件的输出电流Id随Vg、Vd、tox和Tsi的变化关系，并可由此获得例如跨导、输出电阻和尺寸起伏引起的电流起伏等其它特性。（2）针对TFET模型、可靠性和噪声特性，我们建立了一个由单个氧化层或界面电荷引起的器件内部电势变化的解析表达式，这一表达式和无氧化层或界面电荷时的电势模型结合，构成了一个比较完整的、物理上比较清楚的、数学上比较简单的可用于分析陷阱影响的电势模型，并可用于计算分析器件的IV和噪声特性。（3）针对TFET中载流子的输运特点，我们提出了一个器件噪声谱的模型，其中器件的电流噪声来自载流子在隧穿过程和在沟道输运过程中所产生的两部分噪声的叠加。结合TFET的电势模型、IV计算和测量结果以及噪声模型和测量结果，我们计算了几个TFET的IV特性和噪声谱，结果能够很好地说明与传统MOSFET不同的TFET噪声测量谱的主要特性。（4）针对TFET的量子效应和可靠性，我们利用TCAD仿真研究了量子效应和尺寸小型化对TFET的IV特性以及应力（PBTI）退化特性的影响，结果表明，TFET沟道长度和Tsi的缩小，有利于增大器件的驱动电流，同时器件的可靠性也得到了一定的改善。但是，在相同的等效tox情况下，使用高k栅介质，器件的驱动电流会降低，同时器件的可靠性也没有得到有效改善。上述成果将会为TFET器件的研究、开发和应用提供新的知识、模型和方法。项目组已发表论文6篇，其中SCI收录1篇，EI已收录2篇。培养博士生1名，硕士生3名。