具有双括号栅的XNOR神经元突触研究

孙晓彤，靳晓诗

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870）

1 引言

当今大多数信息处理工作是利用传统的计算机软件实现的，传统的计算机软件是存算分离体系，已日渐不适应大数据信息时代存算一体的要求。在具有大规模并行、自适应、自学习能力且能耗极低的人脑中，信息的存储与运算并没有明确的界限[1]。受到人脑工作特点的启示，新型纳米晶体管器件技术产生了，被应用在计算机系统硬件方面，旨在实现对人脑中突触及神经元的模拟，构建存算一体的计算机系统[2]。

与传统的MOSFET 晶体管不同，肖特基势垒场效应晶体管用金属代替了传统的离子注入形成源漏区，载流子在源区与沟道之间的势垒存在隧穿效应[3]。基于肖特基势垒隧穿效应的导通机制，在此提出一种新型场效应晶体管。新器件增大金属与体硅接触面积，改变双括号形栅极栅压，源漏与体硅肖特基接触形成隧穿电流作为正向导通电流；中央双栅可以有效抑制反向漏电流。利用这一双栅极结构的单个晶体管的漏电流大小可实现异或非门逻辑功能（XNOR），用作神经元突触器件[4]。新型晶体管减小了常规MOSFET 的短沟道效应和源漏穿通问题，为MOS 器件继续减小尺寸提供了可能[5]。其实现的高导通电流、小反向漏电流、低亚阈值摆幅和高集成度，应用在二进制神经网络中，皆有益于建立规模较大的神经网络。

2 器件设计与工作原理

2.1 器件结构及关键参数

新型晶体管具有双括号形栅与双栅共同控制的特征，在Silvaco TCAD 软件的Devedit 模块中生成的结构示意图以及关键参数标注如图1 所示。图中，晶体管源漏区与体硅接触形成肖特基势垒，两侧控制栅极（cgate）看似双括号形，主要控制源漏区；中央控制双栅电极（pgate）在上下两个方向控制沟道。详细的参数定义与取值如表1 所示。

图1 双括号栅与双栅共同控制型FET 结构示意图

表1 参数数值

2.2 工作原理

双括号栅与双栅共同控制型场效应晶体管是一种用金属取代杂质掺杂作为源漏区与半导体形成肖特基势垒的器件[6]。新型晶体管的两侧控制栅（以CGs 表示）利用肖特基隧穿效应作为正向导通电流的导通机制[7]；中央控制双栅（用PGs 表示）利用传统MOSFET 正向导通电流的导通机制，控制沟道内载流子的流动，减小漏电流。PGs 与CGs 共同工作可实现XNOR 操作。

以N 型为例，CGs 为正向偏置，当PGs 为正向偏置，电子空穴对主要由源极的带带隧穿产生，在CGs 的栅控作用下，电子从源极流出并聚集在沟道的两侧，从源极流向漏极形成漏电流，器件处于导通状态[8]；反之，PGs 为反向偏置，PGs 会阻止电子继续流向漏极，漏电流减小，器件处于关断状态。CGs和PGs 可以作为XNOR 操作的两个输入，当两个电极极性一致时，器件均处于导通状态，相当于XNOR操作中的高电位；当两个电极不一致时，器件处于关断状态，相当于XNOR 操作中的低电位。

在双括号形控制栅和中央控制双栅的共同控制下，新型晶体管实现XNOR 操作取决于这两处栅压VPG和VCG的极性，并以漏电流ID作为XNOR 操作结果输出，具体工作情况如表2 所示。

表2 新型晶体管XNOR 运算实现过程

3 仿真与分析

对新器件结构的模型仿真采用Silvaco TCAD半导体仿真软件进行。仿真中使用到的模型包括：玻尔兹曼统计分布函数、俄歇复合模型、肖克基复合模型、能带变窄模型以及带-带隧穿标准模型。

3.1 直流特性仿真

3.1.1 以栅压为参数的转移特性

在漏极外加固定电压0.1 V，源极接地，分别以新型晶体管的两个栅压Vpg和Vcg作为参数，仿真得出对应的Vcg-IDS及Vpg-IDS转移特性曲线，如图2 所示。在图2(a)的情况下，模拟的是肖特基带带隧穿导通机制。可以看出，以N 型为例，参数Vpg的改变影响器件的反向漏电流。这说明当Vcg偏置对体硅沟道栅控作用一定时，Vpg电压数值越大，源漏区与体硅之间的能带弯曲就越大，对空穴形成的潜在势垒就越高，从而有效抑制空穴从源极流向漏极。

图2 以栅压为参数的转移特性仿真曲线

图2(b)模拟的是通常的MOSFET 导通机制。可以看出，CGs 既要控制体硅沟道中载流子的传输，又要辅助PGs 抑制漏电流的大小，因此，Vcg数值越大，能带弯曲幅度也越大，从而对体硅沟道中载流子流动的控制作用越大。

综合来看，在保证PGs 和CGs 的电子尽可能多地从源极流向漏极的同时，还要通过势垒高度有效地抑制空穴流向漏极，因此，PGs 和CGs 外偏置电压同为0.8V（-0.8V）时效果最佳。

3.1.2 以氧化层厚度为参数的转移特性

在漏极外加固定电压0.1V 且源极接地，以新型晶体管的绝缘氧化层厚度tOX作为参数，在Vpg外加固定电压0.8V 条件下，仿真得到Vcg-IDS转移特性曲线以及器件结构中U 形沟道水平部分的能带图，如图3 所示。综合观察图(a)和图(b)可见，tOX增大，反向漏电流随之增加。这是由于源漏区与体硅间的肖特基势垒增高，抑制空穴从源极流向漏极。而另一方面，按图1 所示，减小tOX则相当于将Vcg与Vpg的距离拉近，接近到一定程度（无限接近）时相当于新型晶体管具有一个环栅结构，器件始终工作在导通状态，此时新型晶体管失去了XNOR 逻辑门的功能。因此，tOX一定要控制在合适的取值范围内，例如，5nm 是一个比较合适的距离。

图3 以tOX 为参数转移特性及能带图仿真结果

3.2 XNOR 逻辑功能仿真

由图1 的器件结构平面图、表2 的逻辑原理以及图3 的仿真结果可知，新型晶体管通过Vcg和Vpg两个控制栅极共同作用能够实现XNOR 逻辑功能，以两个控制栅极分别作为XNOR 逻辑门的两个输入，漏电流IDS作为XNOR 逻辑的输出。图4 清晰地展示了在单个新型晶体管器件中的XNOR 操作的等高线图。

图4 以漏电流作为XNOR 输出结果的等高线图

由图中可以看出，当Vpg和Vcg都为正向偏置和都为反向偏置时，即两个栅的极性相同时，等高线图中的漏电流IDS很大，区域颜色偏深，说明此时器件处于导通状态，对应于XNOR 操作中的高电位“1”输出；当Vpg和Vcg一个为正向偏置，另一个为反向偏置，即两个栅极性不同时，等高线图中的漏电流IDS很小，区域颜色很浅，说明此时器件处于阻断状态，对应于XNOR 操作中的低电位“0”输出。这样，通过两个控制栅电极的两种导通方式实现了漏电流的高导通和低导通，即实现了XNOR 逻辑门功能。

4 结 束 语

有着全新结构设计的双括号栅与双栅共同控制型场效应晶体管，在单个器件结构中同时利用肖特基势垒隧穿效应和传统MOSFET 导通机制，实现了XNOR 逻辑门功能。新型晶体管同时还有着更高的导通电流、更低的亚阈值摆幅、更小的漏电流和更高的集成度，可以作为一个突触器件，在二进制神经网络技术的应用中发挥作用，有广阔的应用前景。