双栅隧穿场效应晶体管的模型研究

摘要

MOS晶体管是当今世界的主流，它具有很好的电学特性，但是其物理尺寸已接近极限而且功耗大等问题日益突出。为了适应未来集成电路发展的需要，新型的场效应晶体管如铁电场效应晶体管(Mental-Ferroelectric-Semiconductor Field-Effect Transistor)，双栅隧穿场效应晶体管(Double-gate Tunneling Field-Effect Transistor)，鳍式场效应晶体管(Fin Field-Effect Transistor)最近几年获得了广泛的关注与研究。其中，双栅隧穿场效应晶体管具有很多的优点，例如亚阈值摆幅低、功耗小、与CMOS工艺有很好的兼容性等，因此被认为是一个MOS晶体管的很好的替代者。双栅隧穿场效应晶体管是一种新型的晶体管。有别于至今电路普遍采用的MOS晶体管的源区、漏区掺杂类型相同的方法，双栅隧穿场效应晶体管的源、漏区采用了掺杂类型相反的方式，从而致使其工作时在栅极电压的作用下源区与沟道之间的界面发生了不同于 MOS晶体管工作机制的电荷隧穿现象，导致了漏电流的产生。由于特殊的漏电流产生机制，隧穿场效应晶体管的亚阈值摆幅降低到60 mV/ dec以下，功耗得到了有效地减少，同时也面临着工作时开态电流较小的问题。
　　本文利用计算机软件TCAD-ATLAS通过改变双栅隧穿场效应晶体管的组成材料模拟出了GaSbAs同质结双栅隧穿效应晶体管、AlxGa1-xSb/ GaAs异质结双栅隧穿场效应晶体管、SixGe1-x/InxGa1-xP异质结双栅隧穿场效应晶体管的物理结构，并对其进行了仿真得到一些器件性能参数。通过比较，这三种不同类型的双栅隧穿场效应晶体管在模拟中都展现出非常好的器件性能，例如较大的开态电流、理想的电流开关比、较低的亚阈值摆幅等。其中，在AlxGa1-xSb/ GaAs异质结、S ixGe1-x/Inx Ga1-xP异质结双栅隧穿场效应晶体管中，我们发现改变形成异质结的材料中的摩尔分数x的值能够引起其器件性能的改变。所以我们通过优化和筛选材料中摩尔分数x的值，发现Al0.05Ga0.95Sb/ GaAs(即铝的摩尔分数x为0.05)异质结、Si0.9Ge0.1/In0.01Ga0.99P(即Si与In的摩尔分数x分别为0.9与0.01)异质结能使双栅隧穿场效应晶体管的开态电流增加，电流开关比提高，达到了优化器件性能的目的。

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第1章 绪 论

1. 1双栅隧穿场效应晶体管简介

1.2 双栅隧穿场效应晶体管的基本性能

1.3 对双栅隧穿场效应晶体管已有的研究

1.4 研究背景与意义

第2章 双栅隧穿场效应晶体管的建模与仿真方法

2 . 1 建模仿真软件T CAD-AT LAS简介

2. 2 双栅隧穿场效应晶体管的建模与仿真

2. 3 本章小结

第3章 GaSbAs同质结双栅隧穿场效应晶体管

3.1 引言

3.2 GaSbAs同质结双栅隧穿场效应晶体管开/关态时内部的能带分布

3.3 GaSbAs同质结双栅隧穿场效应晶体管工作时内部的电场分布

3.4 GaSbAs同质结双栅隧穿场效应晶体管的转移特性

3 . 5 漏区浓度对G aS bAs同质结双栅隧穿场效应晶体管器件性能的影响

3 . 6 源区浓度对G aS bAs同质结双栅隧穿场效应晶体管器件性能的影响

3.7 本章小结

第4章 AlxGa1-xSb/GaAs异质结双栅隧穿场效应晶体管

4.1 引言

4.2 AlxGa1-xSb/GaAs异质结双栅隧穿场效应晶体管中铝摩尔分数x的优化

4.3 栅氧化物层的厚度对Al0.05Ga0.95S/GaAs异质结双栅隧穿场效应晶体管器件性能的影响

4 .4 温度对Al 0. 0 5Ga 0 .9 5S b/G aAs异质结双栅隧穿场效应晶体管器件性能的影响

4 .5 栅介电常数对Al 0. 0 5Ga 0 .9 5S b/G aAs异质结双栅隧穿场效应晶体管器件性能的影响

4.6 本章小结

第5章 SixGe1-x/InxGa1-xP异质结双栅隧穿场效应晶体管

5.1 引言

5.2 SixGe1-x/InxGa1-xP异质结双栅隧穿场效应晶体管中硅摩尔分数x的优化

5.3 SixGe1-x/InxGa1-xP异质结双栅隧穿场效应晶体管中铟摩尔分数x的优化

5.4 温度对Si0.9Ge0.1/In0.01Ga0.99P异质结双栅隧穿场效应晶体管器件性能的影响

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

附录-Silvaco-Atlas Simulation Files

附录1 GaSbAs同质结双栅隧穿场效应晶体管的器件模拟文件

附录2 AlxGa1-xSb/GaAs异质结双栅隧穿场效应晶体管的器件模拟文件

附录3 SixGe1-x/InxGa1-xP异质结双栅隧穿场效应晶体管的器件模拟文件

攻读学位期间发表论文目录

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