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新型U型沟道隧穿晶体管研究取得进展
发表时间:2014-05-05 阅读次数:2091次

        穿晶体管由于有着极低的关态电流,并可以实现小于60 mV/dec的亚阈值摆幅,在低功耗电路的应用中得到了广泛关注。但由于它的开启电流相对较低,并且16 nm栅长以下随着尺寸减小关态电流指数增长,本实验室的王玮等人提出了多种改善隧穿晶体管性能的新型材料及结构,并对其进行了优化,相关的结果发表在最近的IEEE Trans. Electron Devices期刊上。

        本研究工作介绍了一种新型的U型沟道隧穿型晶体管(UTFET),它利用窄禁带的锗硅材料以及带n+掺杂的DELTA层的结构增大了器件开启时的隧穿电流,它的U型沟道形状还可以增大有效沟道长度,进而显著的减小16 nm及以下小尺寸隧穿晶体管的关态电流。

        平面型与U型沟道的隧穿晶体管结构图分别如图(a)(b)所示,黑色虚线框住的区域即加入的DELTA层区域,红色实线区域为三明治结构的源极。由于过厚的锗硅会引起弛豫并导致额外的缺陷,但同时过薄的源极会导致隧穿电流的减小,因此通过采用三明治结构(由低Ge含量缓冲层、SiGe层、Si盖帽层组成)可以在保证源极深度的前提下减小锗硅厚度。

        U型隧穿晶体管可以实现性能提升的原因主要有以下三点。1,隧穿晶体管中线性隧穿电流的大小与源-栅重叠区域面积呈正相关,U型的沟道结构可以在不增加器件尺寸的前提下增大线性隧穿电流,并使隧穿晶体管具有更好的微缩前景;2,锗硅材料的禁带宽度(0.67 eV)远小于硅材料的禁带宽度(1.12 eV),可以有效缩短隧穿距离;3,加入的n+掺杂的DELTA层使其与源极p+形成高浓度反向掺杂pn结,隧穿距离可以大大减小。

        U型与平面型器件的IOFF以及亚阈值摆幅SS在尺寸微缩的变化如(c)所示,随着尺寸由65 nm减小至10 nm,平面型关态性能退化严重,但是对于U型结构,由于相同尺寸下的有效沟道长度更长,所以缩小过程并没有观察到明显的性能退化。加入DELTA层后锗硅源极的UTFET性能的提升如(d)中蓝、黑线所示。从中可以看到,加入delta层结构后的UTFET的开启电流和关态都增大了10倍左右,最小亚阈值摆幅也从42mV/dec减小到28mV/dec。

         Wang, W.; Wang, P.F; Zhang, C.M.; Lin, X.; Liu, X.Y.; Sun, Q.Q.; Zhou, P.; Zhang, W., IEEE Trans. Electron Devices, 61,193, 2014.

 

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