高驅動電流的隧穿器件設計

1 引言

隨著MOSFET器件尺寸不斷縮小，降低功耗成為了集成電路設計的關鍵問題。熱載流子注入效應在室溫下將金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的亞閾值擺幅（SS）限制在60mV / dec，這種物理上的限制使得MOSFET難以適用于低電源電壓^[1-2]。隧穿場效應晶體管（TFET）具有低亞閾值擺幅和低關態(tài)電流的優(yōu)點，然而受到隧穿面積和隧穿幾率的限制，TFET器件的電流密度通常比MOSFET低2～3個數量級左右，限制了TFET器件的實際應用^[3]。

在器件中使用高K介質提升電場強度^[4-5]或者窄禁帶材料減小禁帶寬度已經成為提升TFET性能常見的方法。有研究人員在傳統(tǒng)縱向TFET源區(qū)應用了窄帶隙材料以增加隧穿電流^[6]，盡管能增加導通電流并保持低的關態(tài)電流，但該器件在異質結界面處出現的缺陷是一個嚴重的問題。由于隧穿勢壘通常位于本征區(qū)中，因此可以嘗試替換本征區(qū)材料而不是源區(qū)材料。文獻^[7]使用窄帶隙材料替換了整個溝道區(qū)域，但是使用此方法必須考慮TFET雙極導通效應，該效應會導致高關態(tài)泄漏電流。另外有科研人員提出通過使用先進的設備控制器件摻雜分布，例如源區(qū)重摻雜薄層結構^[8-9]，減小勢壘區(qū)寬度增大電場強度，但是單邊突變結在實際工藝中很難實現，可能會導致實質性的制造差異。

本文提出了一種窄禁帶縱向隧穿場效應晶體管（SiGe-TFET），通過在縱向TFET外延隧穿區(qū)使用SiGe材料，縮短載流子隧穿距離，增大隧穿幾率，器件具有高開態(tài)電流、低亞閾值擺幅和低關態(tài)泄漏電流的特點；文章第2節(jié)主要描述器件結構及工作原理；第3節(jié)給出仿真結果；第4節(jié)得出最終結論。

2 器件結構和工作原理

隧穿場效應晶體管的本質是一個柵壓控制的P-I-N結。與MOSFET器件類似的是，TFET器件也是由柵極、源極及漏極等電極構成，不同的是MOSFET器件的溝道是指柵極下方的反型層，而TFET器件的溝道是指柵極下方的隧穿區(qū)域。按照隧穿方向與柵電場的關系，可以分為兩種隧穿場效應晶體管，如圖2.1所示：當隧穿方向與柵電場方向垂直時，該隧穿場效應晶體管為橫向TFET器件；當隧穿方向平行于柵電場方向時，該隧穿場效應晶體管為縱向TFET器件。

圖2.1 （a）傳統(tǒng)橫向Si-TEFT結構 （b）具有外延隧穿區(qū)的縱向TFET結構

隨著超薄外延生長技術的發(fā)展，采用半導體異質結材料制造晶體管成為可能。與全Si-TFET相比，在器件中使用SiGe、InAs等窄禁帶材料，可以有效地減小隧穿區(qū)的禁帶寬度，提高載流子的隧穿電流。本次研究采用基于異質外延區(qū)的縱向TFET結構，如圖2.1（b）所示，包括半導體襯底、源區(qū)、本征區(qū)、漏區(qū)、外延區(qū)、高K柵氧化層及金屬柵。外延區(qū)采用SiGe以提高隧穿幾率，位于源區(qū)與本征區(qū)上方。為增強導通電流源區(qū)采用1×10²⁰cm^-3的重摻雜，漏極為1×10¹⁸cm^-3的中等濃度摻雜用來抑制TFET雙極導通效應；本征區(qū)為寬度20nm，濃度1×10¹⁵cm^-3的輕摻雜區(qū)；柵氧化層采用5nm厚度的HfO2。定義電流分別為10^-7A /μm和10^-13A /μm時所對應的電壓為閾值電壓V_T和開啟電壓V_OFF，開態(tài)電流I_ON定義為柵電壓等于（V_OFF+1）V時所對應的電流值，閾值電壓VT和開啟電壓V_OFF兩點之間的斜率作為平均亞閾值擺幅（SS_avg）：

TFET器件的導通電流主要取決于隧穿幾率，利用三角形勢壘近似來計算隧穿，隧穿幾率可以表示成：

式中，m*為電子的有效質量，E_G為隧穿區(qū)材料的禁帶寬度，q為電子電荷，h為普朗克常數除以2π的值，E為電場強度。通過對導帶和價帶態(tài)密度進行積分可以得到外加偏壓V時的隧穿電流：

從上述結果可以清楚的看出，為了提高隧穿電流，器件隧穿區(qū)的電場強度應很大，而禁帶寬度應盡可能的小，即隧穿距離越小，則隧穿電流越大。傳統(tǒng)橫向Si-TFET，縱向Si-TFET和縱向SiGe-TFET帶帶隧穿能帶圖如圖2.2所示。對于橫向隧穿TFET結構，柵極只能控制使源區(qū)與本征區(qū)界面表面區(qū)域發(fā)生隧穿，隧穿區(qū)域面積很小導致無法獲得較大的開態(tài)電流。而縱向隧穿TFET的載流子隧穿區(qū)域面積正比于柵極覆蓋源區(qū)/外延區(qū)的面積，隧穿面積相比橫向隧穿大得多，器件驅動電流較高。

圖2.2 （a）橫向Si-TEFT能帶圖 （b）縱向Si-TFET能帶圖 （c）縱向SiGe-TFET能帶圖

SiGe-TFET則是在縱向TFET的外延隧穿區(qū)采用了高Ge組分的SiGe材料，SiGe材料的禁帶寬度和Ge組分有直接關系，忽略材料之間的應力，禁帶寬度與Si1-xGex材料Ge組分之間的關系可以表示為：

Ge組分越高，材料禁帶寬度越小。從圖2.2（c）也可以看出，將SiGe材料應用于外延隧穿區(qū)可以有效地降低該區(qū)的帶隙并促進載流子的隧穿。TFET關態(tài)泄漏電流路徑主要存在于橫向P-I-N結，當使用具有高Ge含量的SiGe材料時，反向泄漏電流也會增加。在SiGe-TFET的設計中，外延隧穿區(qū)的厚度只有5nm左右，SiGe材料的面積很小，因此這種設計可以減少關斷電流的增加，能夠同時滿足高導通電流和低關態(tài)泄漏電流的要求。

3 仿真結果

器件仿真使用了Synopsys公司的Sentaurus TCAD工具，采用了動態(tài)非局部帶帶隧穿模型，該模型用Wentzel-Kramer-Brillouin（WKB）近似來捕獲穿越所有可能結和表面的隧穿。SRH（Shockley-Read-Hall）復合模型，遷移率模型，Fermi-Dirac統(tǒng)計分布模型和禁帶寬度變窄模型被用來仿真器件電學特性。

P型TFET與N型TFET相反，帶帶隧穿開始于重摻雜的N+源區(qū)，空穴從源區(qū)導帶隧穿進入溝道區(qū)中的價帶，器件在大的負柵極電壓下導通。采用SiGe作為外延區(qū)材料的N型TFET與 P型TFET，外延隧穿區(qū)的Ge含量相同，禁帶寬度相同，因此在相同柵壓下隧穿距離一樣， N型TFET與P型TFET隧穿幾率相近，由此得到互補的轉移特性曲線。

圖3.1 左：三種TFET轉移特性曲線圖 右：Ge組分對SiGe-TEFT電學特性的影響

圖3.1左圖展示了參數優(yōu)化過后的N型與P型橫向Si-TFET，縱向Si-TFET和縱向SiGe-TFET在VD =±1V下的轉移特性的比較。可以看出，無論是N型還是P型TFET，縱向SiGe-TFET的隧穿電流明顯大于另外兩種結構的隧穿電流。右圖顯示了SiGe-TEFT在外延區(qū)Ge組分不同的情況下，N型TFET與P型TFET轉移特性。通過在外延區(qū)中使用SiGe材料，器件開啟電壓V_OFF將隨Ge組分的增加而減小，導通電流與反向泄漏電流都將隨著Ge含量的增加而增加。

表3.1 三種結構TFET開態(tài)電流和平均亞閾值擺幅對比

4 結論

本文提出了一種新型的異質結隧穿場效應晶體管。通過在外延隧穿區(qū)使用SiGe材料，縱向SiGe -TFET可以在保證低關態(tài)電流的同時，有效提升N型TFET和P型TFET的驅動電流，并降低亞閾值擺幅。結果表明，導通電流由36μA/μm增加到92μA/μm，平均亞閾值擺幅從32mV/dec降低到15mV/dec。同時，基于此結構的N型TFET和P型TFET可以采用同一種器件結構，僅需要改變相應區(qū)域的摻雜類型，就可以構成類似CMOS的互補隧穿場效應晶體管，這意味著其在未來超低壓應用中具有巨大的潛力。

參考文獻

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