导通类型可调的无掺杂MOS场效应晶体管

李 权，靳晓诗

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳110870）

1 引言

随着技术的不断发展，集成电路向着更小尺寸方向不断发展，这就对作为集成电路的基本单元——MOSFET器件提出了同样的要求。传统的MOSTET器件，即金属-氧化物-半导体场效应晶体管，其导通机理是基于不同载流子类型而表现为不同的导通类型，即可分为N-MOSFET和P-MOSFET两种。传统器件每次工作只会工作在一种工作模式下，器件功能单一，可实现功能少，这与现代科技的发展要求产生了一定的差距。因此人们对MOSFET的要求进一步提高，不仅要求在尺寸上达到更小的级别，同时也要求在器件功能上实现更多可能的选择[1]。同时，MOSFET器件导通机理受到漂移、扩散的的影响，热压阈值也只能降到65mV/dec，因此降低热压阈值也是目前需要解决的问题之一。综合考虑上述问题，在此提出一种新型场效应晶体管，在器件尺寸上进一步缩小，并在保证正常MOSFET的逻辑功能的基础上，通过对控制栅施加不同电压，实现不同导通类型之间的可调互换，灵活地适应更为复杂的新技术需求。

2 器件设计与工作原理

2.1 器件关键参数

所设计器件以双侧浮动栅极结构来实现导通类型的可调，且具有无掺杂的特点，其在Silvaco TCAD软件中Devedit模块中生成的平面示意图如图1所示。所设计结构的关键参数已在图中标出[2]。

图1 平面示意图及关键参数标注

由图中可见该器件同时具有控制导通类型的双侧浮动栅极和中央控制栅极。在栅极与硅体之间用HfO（2二氧化铪）作为绝缘层，外侧周围则用SiO2来做绝缘层。其中，W是沟道宽度；L是沟道长度；Ws是源漏宽度；Wfg是两侧浮动栅极宽2度；Wpg是中央控制栅宽度；Lpg是中控制栅长度；tHfO是栅极与硅体之间绝缘层厚度；tox1、tox2、tox3皆为SiO2绝缘层厚度。各参数的具体数值如表1所示。

表1 参数数值

2.2 工作原理

所设计场效应晶体管的漏、源电极均采用金属材质（Al）。电极金属与半导体Si接触形成金属结，并在源漏区接触处形成肖特基势垒，借助于载流子隧穿效应形成导通电流。新结构中，两侧的浮动控制栅极是通过带带隧穿机理来提供正向导通电流；利用突变金属结在半导体处提供一种比P+/N+结更强烈的带带隧穿[3]。两侧浮动制栅极主要控制源、漏区。中央控制栅极的导通机制与传统MOSFET导通机理相同。

在N-MOSFET情况下，各处栅极均正偏，由源极提供带带隧穿产生的电子空穴对[4]。从源极流出的电子受到两侧控制栅极的控制在沟道两侧集中，积累起来的电子以漏电流形式从源极不断流向漏极，器件因此导通。此时若令两侧栅极正偏，而使中央栅极反偏，电子依旧从源极流出在沟道两侧集中并流向漏极，器件关断[5]。

P-MOSFET与N型相似，若各处栅极均为反偏，电子空穴对主要在源极由带带隧穿产生，在两侧控制栅极的栅控作用下，从源极流出的空穴在沟道两侧聚焦，数量不断积累，形成从源极到漏极的源源不断的漏电流，使器件呈现导通状态。反之，如果两侧控制栅极保持反偏不变，中央控制栅极改为正偏，空穴将由源极流出聚集在沟道两侧，此时处于正偏状态的中央控制栅会阻止空穴继续向漏极流动，使器件进入关断状态[6]。

3 仿真与分析

通过Silvaco TCAD半导体仿真软件对所设计器件结构进行模拟仿真与分析研究。通过DevEdit编辑器件二维结构尺寸，在DeckBuild中调用Atlas仿真语句进行导通特性仿真分析，最后经视图工具Tonyplot显示仿真结果，并对图像进行测量、分析[7]。详细仿真结果如下：

如图2所示为仿真得到的直流特性仿真曲线。此时漏极电压固定在0.2V，中央控制栅极电压固定在-0.8V，侧栅电压Vfg分别为-0.5V和0.5V。曲线呈现的是以中央控制栅电压Vpg作为参数的Vpg-IDS转移特性。此时当Vfg=0.5V，器件的导通类型为NMOSFET；而当Vfg=-0.5V，器件导通类型则转换为P-MOSFET。由此通过对栅压的改变实现了器件导通类型的转变。

图2 不同V pg极性下的输出特性仿真曲线

由仿真曲线可以看出，通过改变Vfg的电压极性可以指定器件类型（N-MOSFET或P-MOSFET），但不管它是作为N-MOSFET还是P-MOSFET，中央控制栅电极Vpg仍然作为开关控制着整体晶体管的开启与关断[8]。

如图3所示为对Vfg施加反偏时的输出特性仿真结果。漏极施外固定电压0.2V，中央栅极施加固定电压-0.8V，Vfg在-0.2V到-0.8V之间变化。

图3 V fg反偏时的输出特性仿真曲线

由仿真曲线可以看出，当Vfg＜0时，MOS场效应晶体管作为P-MOSFET工作，当Vpg一定时，随着Vfg反向增大，两侧控制栅电极对沟道的栅控作用增强，沟道内的空穴不断的汇聚，源源不断流向漏极，使得漏极电流增大。

如图4所示为对Vfg施加正偏时的输出特性仿真结果。漏极施加固定电压0.2V，中央栅极施加固定电压-0.8V，Vfg在0.2V到0.8V之间变化。

图4 V fg正偏时的输出特性仿真曲线

由仿真曲线可以看出，当Vfg＞0时，MOS场效应晶体管作为N-MOSFET工作，当Vpg一定时，随着Vfg正向增大，两侧浮动栅电极对沟道的栅控作用增强，沟道内的电子不断的聚集，源源不断从源极流向漏极，使得漏极电流增大。

4 结束语

提出的一种导通类型可调的无掺杂MOS场效应晶体管，通过结合TFET和MOSFET的各自优点，通过改变控制栅极的电压极性即可改变整体器件的导通类型。通过仿真分析，可对器件各方面进行数值优化以达到最佳特性。中央主控制栅的两侧辅助控制栅场效应晶体管具有很大的发展前景，器件不仅结构对称，还在很大程度上克服了短沟道效应，提高了导通电流，降低了亚阈值摆幅数值和静态功耗，有益于在工艺上实现更高的集成度。