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铁电场效应晶体管的TCAD模拟

作　者: 黄强
导　师: 李建成
学　校: 湘潭大学
专　业: 物理电子学
关键词: MFIS-FeFET 隧穿场效应晶体管 铁电隧穿场效应晶体管 Silvaco/Atlas
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


半导体硅工艺在过去的四十年里，无论是器件的工艺尺寸还是芯片性能，都是以指数形式增长。然而CMOS技术的极限似乎离我们越来越近了,在未来我们可能会看到越来越多其他技术与CMOS技术结合,以实现更多功能，同时又保持CMOS技术主要的逻辑功能。铁薄膜材料由于其极化效应，同时结合CMOS技术，已被广泛研究应用于新一代的非易失存储器。为了降低1T-1C(1Transistor-1Capacitor)结构的铁电存储器尺寸，研究人员制备并研究了作为1T(1Transistor)结构的铁电存储器单元的铁电场效应晶体管(Ferroelectric Field Effect Transistor)，铁电场效应晶体管的优势在于单元尺寸小、非破坏性读出操作和成本低。最近，铁电体也被用作介电材料，用于负电容器件，以突破硅-金属氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的60mV/dec亚阈值摆幅的限制。本文的主要目的是研究铁电晶体管的电学性能，包括逻辑转换功能和信息存储功能。为此设计与模拟了不同结构的铁电晶体管。首先,建立了MFIS-FeFET(Metal-Ferroelectric-Insulator-SemiconductorFerroelectric Field Effect Transistor)器件结构模型。通过改变器件栅极电压与材料参数，模拟了MFIS-FeFET存储窗口变化情况。模拟结果发现MFIS-FeFET的存储窗口会随着栅极应用电压、铁电薄膜厚度、绝缘层材料的介电常数的增大而增大。模拟研究了不同温度下MFIS-FeFET电学性质，结果表明，随着温度的升高，MFIS-FeFET的开关态电流比和亚阈值摆幅变小，阈值电压则是随温度升高而变大。然后，建立了隧穿场效应晶体管(TFET)的器件结构模型。模拟了TFET的转移特性和输出特性。通过改变材料参数，模拟研究TFET的电学性质的变化情况。结果表明TFET的亚阈值摆幅会随着源区掺杂浓度、绝缘层材料的介电常数增加而变小，随体硅厚度、绝缘层厚度的增大而减小。而开关态电流比值的变化趋势与亚阈值摆幅的变化趋势刚好相反。最后，建立了并模拟了一种新型的低功耗器件——铁电隧穿场效应晶体管。通过与FeFET的对比，发现铁电隧穿场效应晶体管具有亚阈值摆幅更低，漏电流更低的优势。并且利用铁电薄膜的负电容效应，还能够提高器件的开态电流，改善隧穿器件开态电流低的劣势。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-19
  1.1 非易失性存储器  9-10
  1.2 铁电体和铁电存储器  10-14
    1.2.1 铁电体  10-11
    1.2.2 铁电存储器的分类  11
    1.2.3 铁电存储器的发展历史与研究现状  11-14
  1.3 铁电场效应晶体管 FeFET  14-16
    1.3.1 FeFET 的存储原理  14
    1.3.2 FeFET 的发展历史与研究现状  14-16
  1.4 隧穿场效应晶体管  16-18
  1.5 本论文的选题依据和主要内容  18-19
    1.5.1 选题依据  18
    1.5.2 研究思路和主要内容  18-19
第2章 铁电场效应晶体管的电学性能的模拟  19-31
  2.1 Silvaco/Atlas 模拟软件  19-23
    2.1.1 Silvaco/Atlas 对半导体器件模拟的基本方法  20-22
    2.1.2 Silvaco/Atlas 对铁电极化的描述  22-23
  2.2 MFIS 铁电电容器  23-24
  2.3 FeFET 的参数优化  24-29
    2.3.1 电学参数对 FeFET 的影响  24-26
    2.3.2 材料参数对 FeFET 的影响  26-28
    2.3.3 温度对 FeFET 的影响  28-29
  2.4 小结  29-31
第3章 隧穿场效应晶体管的电学性能的模拟  31-40
  3.1. 带间隧穿模型  31-32
  3.2 Silvaco/Atlas 中的隧穿模型  32-33
  3.3 TFET 的参数优化  33-39
    3.3.1 双栅结构 TFET  35
    3.3.2 high- 材料的选择  35
    3.3.3 体硅厚度的选择  35-38
    3.3.4 掺杂浓度的选择  38-39
  3.4 小结  39-40
第4章 铁电隧穿场效应晶体管电学性能的模拟  40-50
  4.1 铁电晶体管的负电容效应  40-41
  4.2 负电容效应对铁电隧穿场效应晶体管的影响  41-43
  4.3 铁电隧穿场效应晶体管的存储功能  43-49
    4.3.1 铁电隧穿场效应晶体管与 FeFET 对比  44-45
    4.3.2 铁电薄膜材料与体硅厚度对铁电隧穿场效应晶体管的影响  45-49
  4.4 小结  49-50
第5章 总结与展望  50-52
  5.1 论文总结  50-51
  5.2 工作展望  51-52
参考文献  52-56
致谢  56-57
攻读学位期间发表论文目录  57-58
附录 铁电场效应晶体管的 TCAD 程序  58-67

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 场效应器件
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