《三維隧穿場效應電晶體解析模型及其套用基礎研究》是依託清華大學，由梁仁榮擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：三維隧穿場效應電晶體解析模型及其套用基礎研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：梁仁榮
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著微電子器件的特徵尺寸進入納米尺度，基於漂移-擴散物理機制的MOSFET面臨著很多難以解決的問題，其中最為重要的是其靜態功耗與工作速度之間的矛盾。基於量子隧穿原理的隧穿場效應電晶體（TFET）為這一問題提供了一個很好的解決方案。為了精確地評估和預測TFET器件與電路的電學特性，器件模型的研究變得越來越重要。現有的TFET解析模型基本上只考慮了TFET某個方面的特性，或者完全照搬了MOSFET建模的方法而沒有考慮到TFET器件獨特的工作機制。針對當前文獻報導的TFET模型存在的諸多不足，本課題首先套用三維數值模擬方法對三維TFET的物理機制進行深入分析，在此基礎上通過分離變數和級數展開等方法求解泊松方程，最終建立一套完整的三維TFET電學特性模型，同時對三維TFET的器件結構及工藝設計等關鍵技術進行深入研究，並進一步探索利用本課題建立的解析模型指導三維TFET積體電路的最佳化設計。
結題摘要
隨著器件特徵尺寸進入納米尺度，基於漂移-擴散物理機制的MOSFET面臨著物理和技術的雙重極限，其中最為重要的是靜態功耗與工作速度之間的矛盾。基於量子力學帶到帶隧穿原理的隧穿場效應電晶體（TFET）為這一主要矛盾提供了一個很好的解決方案。為了精確地評估和預測TFET器件與電路的特性，器件模型的研究變得越發重要。本項目首先通過三維數值仿真對平面和三維結構的TFET器件進行了系統地分析，深入研究了TFET器件的物理機制和工作原理，在此基礎上，通過級數展開等方法求解靜電勢，獲得電場的準確表達式，建立了較為完善的三維TFET電學特性模型，同時對具有高遷移率溝道（包括應變鍺矽、純鍺、鍺錫合金等）的TFET器件的器件結構、關鍵工藝模組開發等技術進行了大量的實驗研究。 重要結果簡述如下：(a)三維TFET的數值仿真，我們證明：當溝道的截面形狀由常規的梯形、矩形、倒梯形變化為三角形時，TFET器件的驅動電流被顯著提升，與此同時亞閾值斜率被大幅度減小。(b)負電容環柵結構TFET的解析建模及其數值驗證，我們建立了該器件三維解析模型，包括靜電勢和最短隧穿路徑，以此來解釋其工作機理，同時我們提出了一種將三維數值模擬與一維Landau-Khalatnikov方程相結合的仿真驗證方法。(c)鍺錫合金/鍺溝道隧穿場效應電晶體的互補邏輯套用，我們提出了利用非局域的經驗贗勢方法並結合虛擬晶體近似來計算鍺錫合金的能帶，獲得了電子和空穴的有效質量及禁頻寬度等材料參數，深入研究了不同器件結構，包括橫向和縱向PIN、PNPN型，點隧穿和線隧穿，及其反相器特性。(d)具有Fin 結構TFET 原型器件製備的工藝關鍵模組開發，我們實現了8英寸高質量矽基純鍺晶圓異質外延、大高寬比鍺矽Fin結構，Fin高度和寬度分別大約為96nm和30nm。 本課題提出並建立的解析模型、數值仿真、原型器件製備等方法為三維TFET積體電路的實用化提供了必要的理論依據和技術積累。
