曾慶王，許會芳

(1.格里菲斯大學(xué)工程與建筑環(huán)境學(xué)院，澳大利亞 昆士蘭州布里斯班 4111；2.安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，安徽 滁州 233100)

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)性能的提升可有效推動集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而,為滿足低功耗的要求，MOSFET器件的工作電壓需要隨著器件尺寸的不斷減小而不斷降低。隨著MOSFET尺寸的不斷減小,短溝道效應(yīng)(Short-channel effects，SCEs)、關(guān)態(tài)電流增大、亞閾值擺幅大等使傳統(tǒng)的以硅材料為基礎(chǔ)的場效應(yīng)晶體管的電學(xué)特性急劇退化。在工程應(yīng)用中，工作電壓按比例縮小會影響電路的動態(tài)范圍。因此，通過減小MOSFET器件的尺寸提升器件性能,以增加器件集成密度提高集成電路性能的技術(shù)路線將面臨著重大的挑戰(zhàn)。

為此，研究者提出新的工作機理的半導(dǎo)體器件，或者尋找新型的半導(dǎo)體材料代替硅材料提升器件的電學(xué)性能。如文獻[3]提出的隧穿場效應(yīng)晶體管(Tunneling-field effect transistor，TFET)可以解決MOSFET器件的亞閾值擺幅受限的問題。TFET器件的亞閾值擺幅小、工作電壓低、關(guān)態(tài)電流低、短溝道效應(yīng)不明顯等諸多特點，受到了越來越多的關(guān)注；但其開態(tài)電流相對于同樣尺寸的MOSFET而言，其值比較低，以及該器件的雙極性電流的特點，也在一定程度上制約了其進一步發(fā)展。文獻[8]通過尋找新材料和新結(jié)構(gòu)提升器件的開態(tài)電流。如文獻[9]提出的平面InAs/GaSb面隧穿場效應(yīng)晶體管，可以提升器件的開態(tài)電流、減小器件的亞閾值擺幅和關(guān)態(tài)電流；雙材料柵、雙柵、三柵、鰭式柵、圍柵、環(huán)柵、納米線等新型結(jié)構(gòu)可提升柵控溝道的能力；文獻[11]提出的線隧穿，通過增大隧穿面積提升隧穿電流，但會增加制造工藝的難度；此外，由于石墨烯材料在光學(xué)、電學(xué)等方面的顯著特性，近年來研究者們推薦其成為替代硅材料制造半導(dǎo)體器件，但其在半導(dǎo)體器件方面的應(yīng)用研究還有待于進一步深入。盡管學(xué)者們提出了新結(jié)構(gòu)和新工作機理的器件，且采用多種方法提升器件的開態(tài)電流，但在相同條件下，其開態(tài)電流仍然小于MOSFET器件的開態(tài)電流。因此，在實際工程應(yīng)用中還是受到了限制。

為更好提升MOSFET器件的電學(xué)特性，本文以GaN為材料作為MOSFET器件，該材料是繼第一代的半導(dǎo)體材料(Ge，Si)、第二代半導(dǎo)體材料(GaAs、InP化合物)之后的第三代半導(dǎo)體材料。GaN由于具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等優(yōu)點，成為制作大功率、高頻、高溫及抗輻照電子器件的理想替代材料，應(yīng)用非常廣泛。本文通過Technology Computer Aided Design(TCAD)器件仿真的方法，分析雙材料雙柵GaN MOSFET器件的電學(xué)特性、溫度特性及器件的電學(xué)參數(shù)和器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，探究器件的電學(xué)特性隨溫度變化的影響機理，以期為新型MOSFET器件的工藝制造和設(shè)計提供理論依據(jù)和設(shè)計標準。

1 器件的結(jié)構(gòu)定義

器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中柵-氧化物用的是SiO,厚度為1nm；器件的材料采用GaN，厚度為10nm?？拷磪^(qū)的柵極(Gate,Gate1)的功函數(shù)為3.9eV，靠近漏區(qū)的柵極(Gate2,Gate3)的功函數(shù)為4.9eV。器件的源區(qū)長度為20nm，溝道的長度為50nm，漏區(qū)的長度為20nm?？拷磪^(qū)的柵長

L

為10nm，靠近漏區(qū)的柵長

L

為40nm。器件溝道的摻雜濃度為1×10cm,源區(qū)和漏區(qū)的摻雜濃度均為n型重摻雜，其摻雜濃度為1×10cm。器件采用Silvaco軟件進行仿真。仿真模型采用了禁帶帶隙變窄模型、費米-狄拉克統(tǒng)計模型、隆巴迪遷移率模型和肖克萊-里德-霍爾復(fù)合模型。

圖1 器件的結(jié)構(gòu)圖

2 器件的特性分析

2.1 器件的直流特性分析

當漏-源電壓為0.1V，柵-源電壓為0～1V時，便可以得到器件的轉(zhuǎn)移特性。該過程中，器件的頂柵(Gate和Gate2)和底柵(Gate1和Gate3)所加的電壓始終相同。圖2(a)中的漏極電流采用的是對數(shù)坐標軸，由轉(zhuǎn)移特性可知，器件的開態(tài)(柵-源電壓為1V，漏-源電壓為0.1V)電流為10的數(shù)量級，器件的關(guān)態(tài)(柵-源電壓為0V，漏-源電壓為0.1V)電流達到了10的數(shù)量級。在雙材料柵的功函數(shù)分別為3.9eV和4.9eV所設(shè)置的器件參數(shù)下，該器件的開關(guān)電流比為1×10。器件的亞閾值擺幅的值為60.8mV/dec。這是由于MOSFET器件的工作機理是漂移擴散機制，其亞閾值擺幅的理想值最高為60mV/dec。顯然，MOSFET器件的亞閾值擺幅值非常好。

(a)轉(zhuǎn)移特性

(b)輸出特性圖2 器件的直流特性

器件的輸出特性如圖2(b)所示，其中柵-源電壓分別固定為0.5V、1V、1.5V，漏-源電壓為0～2V。由圖2(b)可知，在相同的漏-源電壓作用下，隨著柵-源電壓的增加，柵控溝道的能力增強，器件的漏極電流會隨之增大；圖2(b)中第二組曲線的漏極電流值明顯比第一組要大很多，第三組曲線的漏極電流值明顯比第一組要大很多。另外，相同的柵-源電壓作用下，隨著漏-源電壓的增加，器件的工作狀態(tài)將發(fā)生改變， 器件的漏極電流也隨之變化； 但當漏-源電壓增大到一定值后，器件的漏極電流將趨于飽和， 此時盡管漏-源電壓繼續(xù)增大，但漏極電流的值不再隨之變化或者說變化很小， 而且從圖2(b)中也可以看出，該器件的短溝道效應(yīng)很小。

2.2 器件的射頻特性的分析

器件的跨導(dǎo)定義為漏-源電壓固定為定值0.1V時，漏極電流的變化量與柵-源電壓的變化量的比值。該器件的跨導(dǎo)特性如圖3(a)所示，在柵-源電壓比較小時，器件的跨導(dǎo)值比較小，因為此時器件并未開啟，其漏極電流非常小。但隨著柵-源電壓的進一步增加，器件的跨導(dǎo)值也會繼續(xù)增大，這是由于此時器件已經(jīng)導(dǎo)通了，且其漏極電流增加比較顯著，如圖2(a)所示。但當柵-源電壓增大到一定值后，跨導(dǎo)會達到最大值，且隨著柵-源電壓的進一步增加，其值開始減小，這是由于此時漏極電流的變化值很小。器件的柵-源電容、柵-漏電容如圖3(b)所示，器件的射頻特性如截止頻率、增益帶寬乘積等射頻參數(shù)與器件的跨導(dǎo)成正比，與器件的電容成反比。所以在實際的器件設(shè)計時，應(yīng)從器件的結(jié)構(gòu)、材料等方面來充分考慮如何提高器件的跨導(dǎo)特性以及減小器件的電容特性，從而提升器件的射頻特性。

(a)跨導(dǎo)特性

(b)電容特性圖3 器件的射頻特性

2.3 器件的溫度特性的分析

與傳統(tǒng)的Si MOSFET器件不同，GaN MOSFET 器件可應(yīng)用于高溫環(huán)境，本研究將分析GaN MOSFET 器件的電學(xué)特性隨溫度的變化規(guī)律。由圖4可知，在其他條件相同的情況下，器件在300K時的關(guān)態(tài)電流明顯比600K時小，且器件的閾值電壓隨著溫度的升高而減小。這是由于閾值電壓隨溫度的變化主要跟費米勢和本征載流子濃度有關(guān)，而本征載流子隨著溫度的升高而增大，費米勢也會隨溫度的升高而減小。費米勢的減小影響到閾值電壓向左漂移，即器件的閾值電壓會隨著溫度的升高而減小。

圖4 器件在300K和600K時的轉(zhuǎn)移特性

如圖5所示，在相同的條件下，只改變器件的工作溫度，當柵-源電壓為1.5V時，300K對應(yīng)的電流值比600K對應(yīng)的電流值大。GaN MOSFET 器件的輸出特性隨溫度升高而衰退，主要是由于MOSFET器件的閾值電壓和遷移率對溫度的響應(yīng)，遷移率隨溫度的升高迅速下降。

圖5 器件在300K和600K時的輸出特性

如圖6(a)所示，不同溫度下，GaN MOSFET 器件的跨導(dǎo)特性的變化趨勢是相同的，主要差異在于，一方面跨導(dǎo)的最大值隨著溫度的升高而減小，因為跨導(dǎo)主要表征的是器件將柵-源電壓轉(zhuǎn)換為漏極電流的能力；另一方面跨導(dǎo)取得最大值時所對應(yīng)的柵-源電壓的大小會隨著器件的工作溫度的升高而增大。另外，如圖6(b)所示，溫度的變化對該MOSFET器件的電容特性影響不明顯，并且MOSFET器件的柵-源電容大于柵-漏電容。

(a)跨導(dǎo)特性

(b)電容特性圖6 器件在300K 和600K時的特性

2.4 器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)前文分析，靠近源區(qū)的柵長

L

為 10nm，靠近漏區(qū)的柵長

L

均為40nm?，F(xiàn)將靠近源區(qū)的柵長分別設(shè)置為10nm、20nm、30nm，由圖7(a)可知，增大器件的靠近源區(qū)的柵長，能小幅改善器件的開態(tài)電流，這是由于靠近源區(qū)的柵的功函數(shù)小于靠近漏區(qū)的功函數(shù)導(dǎo)致的。而由圖7(b)可知，靠近源區(qū)的柵長的變化對關(guān)態(tài)電流的影響較大，且器件的閾值電壓也明顯受到影響。因此，在實際設(shè)計的過程中，應(yīng)綜合考慮器件的電學(xué)特性參數(shù)來確定器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，一般選擇長度較小的靠近源區(qū)的柵長，如圖1中的靠近源區(qū)的柵長為10nm。

圖7 器件在不同柵長比下的轉(zhuǎn)移特性曲線

3 結(jié)論

本文提出一種雙材料雙柵GaN MOSFET器件，該器件具有亞閾值擺幅接近于60mV/dec理論值、開關(guān)電流比為1×10的優(yōu)點。器件的關(guān)態(tài)電流隨著溫度的升高而增大，輸出電流和跨導(dǎo)隨著溫度的升高而退化。同時，器件靠近源區(qū)的柵長的大小也會影響著器件的電學(xué)特性，其長度越小器件的電學(xué)特性越好。因此，在實際設(shè)計器件時，應(yīng)綜合考慮器件的電學(xué)特性，采用折中的辦法選擇合適的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)。

由于GaN MOSFET器件具有低泄漏電流、低功耗的特點， 因此， 可考慮將其應(yīng)用于數(shù)字電子技術(shù)中的開關(guān)電路等高速、 低功耗的場合。 但文中對器件的特性研究還不夠全面，后續(xù)將進一步研究GaN MOSFET器件的瞬態(tài)特性、非線性特性、噪聲特性以及GaN MOSFET器件在電子電路如反相器、放大電路及在生物傳感器中的應(yīng)用， 從而將該器件應(yīng)用到更廣的場合。同時， 由于該器件的亞閾值擺幅不能做到小于理論極限值， 后續(xù)還可對MOSFET和TFET兩種器件進行綜合設(shè)計， 充分發(fā)揮兩種器件的優(yōu)點， 旨在提高器件的開態(tài)電流、 減小器件的短溝道效應(yīng)、 進一步減小器件的亞閾值擺幅。