具有双向开关特性的隧穿场效应晶体管

王艺澄，靳晓诗

（沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳110870）

1 引言

依据摩尔定律，当价格不变时，集成电路单位面积内晶体管的数量每18个月翻一倍[1]，随着集成电路技术的不断发展，晶体管的尺寸在不停减小，集成度变高，性能提升。但在器件尺寸等比例缩小的同时，各种不良效应也越发明显。微电机的发展现已进入了纳米级，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）因其工艺简单、设计灵活，作为集成电路的基本单元，在器件尺寸缩小、沟道长度变短时会发生各种严重的短沟道效应。高集成度导致功耗增加，芯片内部温度随之升高，增加了整个系统的失效率。又由于MOSFET的导通机理，室温下其亚阈值摆幅难以突破60mV/dec的极限[2]。隧穿场效应晶体管基于量子力学带带隧穿原理，使得隧穿器件的亚阈值摆幅可以突破这一极限[3]。隧穿场效应晶体管（TFET）是以超薄的半导体薄片或纳米线为基础，其功耗可降低到互补金属氧化物半导体（CMOS）的约百分之一[4]。因此TFET已成为低功耗应用领域的研究热点[5]。目前针对TFET的研究大多在于改善栅电极形状和改变沟道结构来改善电学性能[6-9]。

隧穿晶体管的PIN结构使其无法代替源漏级可互换、双向导通性的MOSFET晶体管。为此提出一种具有双向开关特性的带带隧穿场效应晶体管（B-TFET）结构。该结构具有传统隧穿晶体管的低亚阈值摆幅和低功耗的特点，可有效抑制反向泄漏电流，同时具有MOSFET的结构对称性，能实现双向开关特性。

2 具有双向开关特性的TFET结构

具有双向开关特性的带带隧穿场效应晶体管（N型）结构如图1所示。与传统TFET不同，此处设计的B-TFET是完全对称的——源/漏可互换的P+掺杂区域位于硅体两侧，两侧均可视为器件的漏极或源极。栅电极位于硅体的两侧，器件结构是对称的。N+掺杂区位于硅体的中心部分。

图1器件结构

整体器件结构可看作两个反向PN结，无论哪一侧的P型掺杂区选为漏电极，两个PN结必定有一个反偏，使得该器件从静态工作电流而言相当于一个反偏PN结。当漏电极加正向偏压，栅电极加反向偏压，即器件工作在反向状态时，漏电极与源电极间会产生较大的电场强度，隧穿产生电子空穴对，电子由偏压在漏端排出，反向泄漏电流的主要载流子是空穴。当器件工作在正向状态时，源端提供隧穿产生电子，正向导通电流的主要载流子是电子。

以L和W来表示器件的整体长度和整体宽度。Li为本征区域的长度，LN+为N+区域的长度，LS/D和WS/D分别为P+源/漏可互换区域的长度和宽度。T为硅体厚度（40nm），tox为栅极氧化物的厚度（栅氧选择高K材料HfO2），ti为S/D区域与栅极氧化物之间的本征隧道区域的厚度。

3 N+区掺杂浓度对器件性能的影响

N+区掺杂浓度ND的改变（从1019cm-3到1021cm-3）对器件性能影响如图2所示。其中图2(a)给出了Ids-Vds曲线，同时也给出了其他参数在此时的设置值。从仿真分析图（归一化处理后）中可以看出，随着N区掺杂浓度的不断变大，正向导通电流的变化并不明显，反向泄漏电流则明显被抑制，静态功耗也逐渐变小，静态功耗点的最高点与最低点相差近两个数量级。

图2(b)给出了关断比（Ion-Ioff）曲线和亚阈值摆幅（SS）曲线。从图中可知，随着N区掺杂浓度升高，新器件的平均亚阈值摆幅逐渐减小，开断电流比不断升高。由于正向导通电流没有受到明显的影响，而反向漏电流由于N区掺杂浓度的提高而被显著的抑制，同时静态工作点的电流显著降低，使得平均亚阈值摆幅更小、关断比更高和功耗更低，可从57.6mV/dec降低至47.0mV/dec。

图2受N+区掺杂浓度影响的特性曲线

器件处于反偏状态（Vds=0.5V,Vgs=-0.4V）下的二维横截平面的电势分布情况如图3所示。当栅电极反向偏压时，正向偏压的漏电极和反向偏压的栅电极之间会产生很强的电场，导致漏极附近本征区靠近漏电极处产生很强的电场，强电场导致了该区域的能带弯曲变大，从而发生很强的带带隧穿效应。由此造成成对出现的电子和空穴。由于偏压的存在，电子可以直接从漏电极流出，而价带的空穴需要留过N+掺杂区，再流过本征区域，在源电极处流出，以此形成连续的漏电流。可由空穴的流动情况推断出：为了减少反向的泄漏电流，可以通过减少通过N+掺杂区的空穴数量来减小反向漏电流。通过图3(a)和图3(b)观察到，当N+区掺杂浓度较高，即ND=1021cm-3时，两侧的P+掺杂区与N+掺杂区之间形成了相比于ND=1019cm-3时更大的电势差，且N+区较高的掺杂浓度使得该区两侧的电势更高。这是由于具有更高浓度的N+区与源、漏两侧会产生更大的电子浓度差，因此会向源、漏两侧扩散更多的电子，导致离子化后的N+区的正电荷量增加，也因此增加了P+区和N+区之间的电势差。正因如此，N+区的掺杂浓度越高，在P+区和N+区之间形成的电势差越大，势垒就越高，使得由带带隧穿产生的空穴穿过N+掺杂区的几率变小，难以通过N+掺杂区流向本征区再在源电极处流出，更多的空穴会被N+掺杂区阻碍，从而减小了反向漏电流的大小。因此N+区掺杂浓度越高越好。也由此项参数分析得出，在此器件结构中，N+区域的存在对减小反向泄漏电流有着重要作用。

图3器件横截平面电势分布图

4 N+掺杂区长度对器件性能的影响

N+掺杂区长度LN+逐渐改变（从2nm到80nm）对器件性能造成影响的情况如图4所示。其中图4(a)给出了Ids-Vds曲线，同时也给出了其他参数在此时的设置值。从仿真结果可知，随着LN+逐渐变长，正向导通电流几乎不变，反向泄漏电流则被明显抑制，静态功耗点显著降低。图4(b)显示了不同LN+下的开断电流比（Ion-Ioff）曲线和亚阈值摆幅（SS）曲线。如图所示，随着LN+的增加，由于正向电流几乎不变，反向泄漏电流被明显抑制，器件的平均亚阈值摆幅显著降低，开断电流比增大。

图4受LN+影响的特性曲线

图5给出了栅电压反向偏置时不同LN+下的空穴浓度在横截平面内的分布情况。空穴浓度是反向漏电流的主要成分。当LN+=2nm时，空穴浓度最小值处在N+区附近，约为1017cm-3。当LN+=80nm时，在相同位置处，空穴浓度约为1014cm-3。N+掺杂区长度的增加，提高了N+区对空穴的阻碍作用，减小了反向泄漏电流的大小。这是由于空穴在流经N+掺杂区的过程中，N+掺杂区长度越长，就会有越多的空穴在流出N+区域过程中被电子复合掉，这就减少了N+区空穴流向源电极的数量。因此增加N+掺杂区的横向长度可以有效地锁住空穴流出N+掺杂区，从而达到减小反向泄漏电流的目的。平均亚阈值摆幅（SS）可以减小到40.2mV/dec，提高器件的开关速度。电流开断比可以增加至108以上。

图5器件空穴浓度分布图

5 本征区长度对器件性能的影响

对器件的另一区域进行仿真，分析N+掺杂区和单侧S/D区域之间的本征区长度Li的变化对器件导电特性的影响。

不同本征区长度Li对器件性能造成影响的情况如图6所示。

其中图6(a)给出了Ids-Vds曲线，同时也给出了其他参数在此时的设置值。由图可见，随着Li从4nm增加到100nm，新型隧穿晶体管的正向导通电流在轻微减小，在此次仿真的边界参数设置下，即Li=4nm和Li=100nm情况下，正向导通电流相差不到一个数量级。由此可见，本征区长度的增长，抑制了正向导通电流的大小，但是其影响能力较小，这是由于本征区域的长度越长，本征电阻值越大，导电沟道电阻越大，从而导致了电流整体减小。

在希望得到更大正向导通电流的情况下，应该使得本征区的长度越长越好。但是相较于正向导通电流，本征区长度的选择对反向泄露电流的影响情况稍稍复杂了一些。当本征区长度小于7nm时，随着Li数值设置的减小，反向泄露电流会有极大增加，从而极大减小了隧穿晶体管作为开关器件的有效工作区域，当Li=4nm时器件已经无法处于正常工作状态。当本征区的长度在7nm以上时，Li的大小对反向泄漏电流的影响与正向导通电流的影响一致。即是说，当本征区Li具备一定长度时，正向导通电流与反向泄露电流表现出的规律性一致。

图6(b)是器件在不同Li值下的平均亚阈值摆幅曲线和电流开断比曲线，可以看出，平均亚阈值摆幅和电流关断比在本征区长度Li=10nm时最优。

图6受本征区长度影响的特性曲线

栅极处于反偏状态下器件内部横截面上的电场分布情况如图7所示。电场强度可以直观反映出器件内部发生带带隧穿效应的强弱。通过对比图7(a)和图7(b)的电场在不同Li条件下的分布情况可以看出，在期望获得更高正向导通电流，以减小本征区长度来减小本征电阻，从而增大正向导通电流的同时，也令在P+掺杂区和N+掺杂区之间区域的电势分布变得更陡，电场强度更大，使得这一部分的能带弯曲变大，这加剧了带带隧穿效应，产生等多的电子空穴对也增加了反向漏电流。由图可见，当Li的值设置得特别小时，例如当Li=4nm时，在P+掺杂区和N+掺杂区之间的本征区电场强度已经强于漏电极附近的本征区域电场强度。这是由于当Li足够长时，栅电极对本征区（导电沟道）的影响范围无法覆盖整个本征区，电场在离开“覆盖区”的位置时快速下降。而当Li长缩短为4nm时，在N+区两侧峰值电场强度要比Li为100nm时大很多。反向漏电流的大小此时几乎不变，已不再受到栅极控制。因此在希望正向导通电流更大而减小本征区长度时，也要考虑本征区长度对反向泄露电流的影响。为了器件可以工作在正常状态下，同时有效区域更长，平均亚阈值摆幅更小，Li的值理应不小于7nm。当Li=10nm时，新设计结构器件的平均压阈值摆幅可以减小到41.0mV/dec，同时开断电流比值可以超过108。

图7器件横截面电场分布图

6 结束语

对于此款新设计的具有双向开关特性的带带隧穿场效应晶体管结构，通过仿真分析了各关键参数的改变对器件电学特性的影响。通过仿真结果可见，N+区的主要作用是抑制反向泄漏电流，其存在的必要性也得到了验证。通过对N+区掺杂浓度、N+区长度和本征区长度的改变进行仿真分析，依据仿真结果对各个结构参数进行优化，给出了优化后的参数。最终实现的隧穿晶体管开关特性较为良好，静态功耗较低，有着低的亚阈值摆幅，低的反向漏电流，与CMOS在工艺上也更为兼容。