低关态电流的InN/SiGe/Si隧穿场效应晶体管的研究

摘要

在摩尔定律的指导下，微处理器的集成度不断提高，推动了逻辑开关器件的发展。而在逻辑开关器件中，隧穿场效应晶体管（TFET）突破了金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的亚阈值摆幅的理论极限，可以有效实现器件开启和关断，已逐步成为该领域中研究的热点。在工作原理中，TFET器件以量子力学为依据，利用载流子的带带隧穿实现器件工作，不同于MOSFET器件的工作方式，有效避免了小尺寸MOSFET器件所有的短沟道效应。随着芯片集成度的不断提高，针对TFET器件的电学要求也越来越高，如需要更高的开态电流和更低的关态电流。有部分研究人员为了提升TFET器件的电学性能，利用窄禁带材料设计TFET器件，减小载流子隧穿时的带宽，显著提高了器件的开态电流。但这样的TFET器件将拥有较大的关态电流，导致器件无法有效关断，以至于影响电路的正常工作。为此，我们提出了同时利用硅基材料和窄禁带InN材料来构造TFET器件，利用InN的压电效应增加隧穿处的电场，提升器件的开态电流；利用Si/InN的有效势垒抑制关态时载流子的漂移扩散，降低器件的关态电流。
　　本研究主要内容包括：⑴考虑硅基TFET器件隧穿结处的禁带宽度较大，在源区引入锗硅材料，实现对隧穿处禁带宽度的调整，提升载流子隧穿电流并保持较低的关态电流。⑵通过在硅基TFET器件表面淀积不同介电常数的薄膜，观察器件开启时隧穿电场的变化。分析介电常数对TFET器件电场、电流的影响。⑶在硅基TFET器件中引入InN材料。由于InN属于III-V族氮化物，具有较小的禁带带宽，有利于载流子隧穿。此外，InN材料具有压电极化效应，可以产生极化电场和极化电荷。在硅基TFET器件引入InN材料，形成InN/Si异质结,利用 InN的极化电场增强开态电流，并利用异质结的势垒抑制器件的关态电流，由此提出一个低关态电流InN/Si异质结TFET器件。⑷针对上述几种对TFET器件的设计方式，利用TCAD中的Sentaurus仿真工具，设计器件物理结构，实施具体物理模型下的电学仿真，并对仿真得出器件结构、开态电流、关态电流进行分析讨论。提出的低关态电流Si/InN异质结TFET器件具有0.1mA/μm的开态电流和0.1pA/μm的关态电流，开关比达109。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题的背景及意义

1.2 国内外研究动态

1.3 本论文主要研究内容

第二章 隧穿场效应晶体管的工作原理与典型结构

2.1 隧穿场效应晶体管的工作原理

2.2 隧穿场效应晶体管的典型结构

2.3 影响隧穿场效应晶体管性能的因素

2.4 本章小结

第三章 隧穿增强的方法与分析

3.1 SiGe/Si异质结

3.2 介质薄膜

3.3 InN/Si异质结

3.4 本章小结

第四章 低关态电流的InN/Si异质结TFET器件

4.1 基于压电极化效应的InN/Si异质结TFET器件

4.2 低关态电流的InN/Si异质结TFET器件的优化

4.3 本章小结

第五章 结论

5.1 论文的主要工作与成果

5.2 论文的创新性工作

5.3 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果