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随着集成电路的发展，金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET) 的特征尺寸一直在减小，然而由于其亚阈值摆幅在 室温下无法低于60mV/decade，导致其静态功耗随尺寸减小迅速增长，不能满足现代集 成电路的低功耗要求。隧穿场效应晶体管(Tunneling Field-Effect Transistor，TFET) 由于 其亚阈值摆幅可以突破60mV/decade 的限制，具备广阔的低功耗应用前景，因此得到了 广泛的关注。然而，有关TFET 的研究仍存在一些问题。首先，受限于隧穿机制，TFET 的开态电流(Ion) 较低，这限制了TFET 的应用范围。III-V 族异质结结构虽然可以提高 Ion，但同时却会恶化关态电流(Ioff )。其次，器件模型在电路仿真中发挥着重要作用， 但对于III-V 族异质结TFET (Heterojunction TFET，H-TFET)， 现有模型无法满足电路 仿真对计算速度和准确性的要求。除此之外，涨落特性作为衡量器件可靠性的关键因 素，是一种统计分布规律，然而对于小尺寸III-V 族TFET，基于量子仿真大量样本的 涨落特性还有待研究。针对III-V 族TFET 的研究现状，本文所做工作的创新点如下。 1) 为了降低Ioff，减小亚阈值摆幅，优化III-V 族H-TFET 性能，提出了两种基 于GaAsSb/InGaAs 的新结构H-TFET 。首先在提出的栅漏欠交叠圆柱围栅结构中，研 究了器件参数以及共振隧穿对H-TFET 性能的影响。仿真结果表明：低漏掺杂以及长 栅漏欠交叠能够减小Ioff；高源掺杂以及低有效隧穿势垒高度能够提高Ion；基于共振 的H-TFET 相比普通H-TFET 具有更陡峭的开启特性。然后，在提出的异质栅(Dual-Material-Gate， DMG) 结构中，对比研究了DMG-H-TFET 和H-TFET 的特性。结果表 明，相比于H-TFET， DMG-H-TFET 的Ioff 显著降低，并且能够同时获得较高的饱和 电流与较低的饱和电压，解决了H-TFET 大电流与低饱和电压不能兼得的问题。 2) 为了提高III-V 族H-TFET 模型的计算速度，并保证模型的准确性，提出了考虑 反型电荷与源耗尽区影响的解析H-TFET 电流模型。首先结合异质结边界条件，求解 二维偏微分泊松方程获得连续的电势分布，然后基于切线近似利用Kane 方程得到解析 的电流模型。结果表明，与仿真结果和实验数据比较，模型可以准确地反映出偏置、结 构参数和半导体材料对电势、电场以及转移特性的影响，同时模型也能捕捉到TFET 输 出特性中出现的非线性开启以及饱和等特征。 3) 为了进一步提高III-V 族H-TFET 模型精度，模型中加入了漏端影响。首先利用 高斯求积方法，提出了考虑漏端双极效应的解析电流模型，并且加入了反型电荷、积累 电荷、源漏耗尽区的影响，以DMG-H-TFET 为例验证模型准确性。结果表明，与仿真 结果比较，模型可以准确地反映出电势、电场以及电流对偏置和漏掺杂的依赖性。然 后，提出了考虑漏端热注入效应的解析电势模型。与仿真和实验结果对比表明，相比于 普遍使用的基于麦克斯韦 玻尔兹曼分布的电势模型，该模型能够获得更准确的电势结 果，从而能够保证电流模型准确地预测输出特性的变化。 4) 为了预测涨落源对小尺寸III-V 族TFET 的影响，并保证仿真结果的可靠性，通 过大量样本的量子仿真，研究了金属栅功函数变化(Work-Function Variation，WFV) 和 表面粗糙度(Surface Roughness，SR) 对纳米线TFET 特性的影响。有关WFV 的研究 结果表明：WFV 对Ioff 的影响强于对Ion 的影响，也强于对MOSFET 中Ioff 的影响； TFET 中电流与阈值电压的相关性弱于MOSFET 中的情况；与MOSFET 相比，非晶化 能够更有效的抑制TFET 中WFV 所致的特性涨落。另一方面，有关SR 的研究结果表 明：增大SR 自相关函数中的均方根幅度，会导致TFET 可靠性变差；与InAs 同质结 相比，InAs/Si 异质结可以抑制SR 诱致的特性涨落；与WFV 和随机离散掺杂相比，SR 对TFET 可靠性造成的影响最弱。

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解析模型 双极效应 隧穿场效应晶体管 异质结 涨落

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一种针对中子强吸收体获得共振群常数的方法，将中子强吸收体和周围栅元等效为一维圆柱的超栅元模型，再将超栅元模型拆分为三个一维圆柱栅元，从而三个一维圆柱栅元组成了改进超栅元模型；利用超细群计算方法，分别获得每个栅元的共振群常数，最终获得针对中子强吸收体的共振群常数；本发明相比现有的等价理论、子群方法等共振计算方法，弥补了其不能获得中子强吸收体准确共振群常数的缺陷；同时改进后的超栅元模型在不损失精度的条件下具有更高的效率。

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随着集成电路的发展，金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）尺寸进一步缩小，泄漏电流明显地恶化，带来的静态功耗问题成为制约集成电路进一步发展的主要难题。隧穿场效应晶体管（Tunnel Field-Effect Transistor，TFET）由于更低的泄漏电流以及低于60mV/dec的亚阈值斜率（Subthreshold Slope，SS），成为替代MOSFET的有力竞争者。 本文对TFET进行三个方面的研究。内容包括：1、双围栅隧穿场效应晶体管（Double Gate-All-Around Tunnel Field-Effect Transistor, DGAA-TFET）；2、带pocket的隧穿场效应晶体管（PNPN Tunnel Field Effect Transistor, PNPN-TFET）结构优化及热载流子效应分析；3、基于TFET的非易失性SRAM电路仿真。首先，本文介绍了隧穿场效应晶体管的基本工作原理，并分析了DGAA-TFET的性能。仿真结果表明，与围栅结构隧穿场效应晶体管比起来，由于DGAA-TFET有更薄的体硅厚度和一个额外的内栅，DGAA-TFET具有更强的栅控能力，因此获得了更强的短沟道抑制能力，更陡峭的SS和更大的导通电流。 其次，提出了一种新型的沟道underlap的部分耗尽型PNPN-TFET器件（UPD-PNPN_S）。对比了UPD-PNPN_S和全耗尽型PNPN-TFET的性能发现，部分耗尽型TFET由于更高的参杂浓度，在导通导通电流和开关电流比上都有优势。此外UPD-PNPN_S的沟道underlap增强了抑制短沟道效应的能力，提高了器件的SS。对比分析了热载流子效应对PNPN-TFET和VTFET的影响。比较了热载流子应力下两种器件阈值电压的漂移，结果发现VTFET对热载流子效应不敏感。研究热载流子应力导致的栅氧化层电荷和界面陷阱对两种器件的影响。PNPN-TFET的热载流子效应主要受栅氧化层电荷影响；在VTFET中是受栅氧化层电荷和界面陷阱共同影响。 最后，提出了基于TFET的非易失性SRAM。介绍TFET的非易失性SRAM的工作原理。对比基于TFET和MOSFET的非易失性存储器的STORE，RESTORE能耗和平衡有效时间。结果表明，基于TFET的SRAM拥有更低的能耗和更小的工作电压。 以上研究结果表明，TFET在低工作电压条件下具有更优秀的器件级和电路级性能，是后摩尔时代MOSFET的有力竞争者。

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非易失性静态随机存储器 热载流子效应 隧穿场效应晶体管 亚阈值斜率

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随着半导体器件特征尺寸的不断缩小，金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,简称MOSFET)正面临着严峻的挑战，如短沟道效应加剧，泄漏电流过高和亚阈值摆幅无法突破60mv/dec的极限等,对器件的电学性能和可靠性有着很大的负面影响，因此迫切地需要一种新型器件来取代MOSFET。隧穿场效应晶体管(Tunnel field effect transistor,简称TFET)凭借其优良的亚阈值特性和较小的泄漏电流，目前被认为是最有可能代替MOSFET的潜在器件。 本文首先简要地介绍了研究中所要用到的仿真工具Sentaurus TCAD，对TFET的基本电学性能进行了仿真，将TFET与MOSFET的转移特性进行了比较，并讨论了减小TFET泄漏电流和降低亚阈值摆幅的方法。分别对双栅和围栅两种不同结构的TFET建立了考虑可移动电荷影响的表面势和漏电流解析模型：通过求解考虑可移动电荷贡献的二维电势泊松方程，推导出表面势、电场的解析表达式；然后利用求得的电场表达式和Kane模型得到载流子的隧穿产生率，再用切线近似法计算隧穿产生率在隧穿区域的积分，建立了漏电流的简洁解析模型。利用器件数值仿真软件Sentaurus在不同器件参数条件下对器件进行仿真，将所建考虑可移动电荷模型与忽略可移动电荷模型进行对比，分析比较二者的准确性。并讨论了不同器件参数对器件的开态电流和泄漏电流的影响。 由于器件尺寸的持续缩小，量子效应对器件性能和模型的影响将变得不可忽略。本文介绍了TFET中的几种基本量子效应，着重研究了量子限制效应对模型的影响，并对所推导的双栅TFET电流模型中的相关参数进行了修正，得到考虑量子效应影响的漏电流模型。将量子限制模型加入Sentaurus仿真软件中，对TFET进行仿真，将经典模型和量子效应修正后的模型与仿真结果对比，分析量子效应对模型准确性的影响。改变器件参数，对TFET进行仿真，观察不同器件参数下量子效应对模型的影响程度。 综上，本文对双栅和围栅TFET包含可移动电荷的电流模型进行了深入研究，并研究了量子效应对模型的影响，对TFET的研究具有一定指导意义。 关键词：隧穿场效应晶体管；漏电流；解析模型；可移动电荷；量子效应 论文类型：应用研究

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解析模型 可移动电荷 量子效应 漏电流 隧穿场效应晶体管

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半导体器件特征尺寸的不断缩小使得沿用等比例缩小理论提高当前主流硅CMOS器件的性能受到越来越多的物理和工艺的限制。发展新型器件结构和高性能材料来满足纳米尺寸工艺条件下器件性能的要求已成为当前热点。在对传统MOS器件进行优化设计，提高器件性能，使得器件尺寸继续缩小的同时，SOI（Silicon-On-Insulator）、双栅、FinFET等多栅新型器件的出现也是进一步提升器件性能的途径。在众多新型器件中，围栅MOSFET的栅控能力最强，被认为是最具潜力的新型器件结构之一。在众多高性能材料，应变硅因其大幅提高载流子迁移率及与传统MOS工艺的兼容性而大受青睐。 目前对应变围栅MOSFET的研究主要集中在解析模型和制造工艺两个方面。本文主要研究应变围栅MOSFET的解析模型。首先，本文修正了应变硅的能带结构和相关参数，利用应变围栅MOSFET的沟道电势的抛物线近似，通过求解柱坐标系的沟道电势的二维泊松方程，得到了较为精确的应变围栅MOSFET的阈值电压模型，并利用Sentaurus器件仿真软件验证了模型的有效性。其次，根据漂移-扩散模型，注意到器件进入纳米尺寸短沟道效应对MOSFET不可忽略的影响，考虑了沟道长度调制效应、串联电阻及迁移率退化、量子效应对MOSFET的影响，建立了应变围栅MOSFET的电流模型，并利用Sentaurus对所建立的模型进行了验证。最后，考虑到栅电阻噪声、MOS沟道热噪声以及短沟道下不可忽略的碰撞电离效应引起的噪声，建立了应变围栅MOSFET的噪声模型，研究了应变围栅MOSFET的截止频率与相关几何参数之间的关系以及MOSFET的噪声特性, 并利用Sentaurus对所建立的模型进行了验证。 总的来说，本文建立了应变围栅MOSFET的阈值电压模型，电流模型及噪声模型，并利用Sentaurus验证了模型的有效性。本文所建立的解析模型为应变围栅MOSFET器件的设计和应用奠定了理论基础。

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电流 模型 围栅 应变 阈值电压

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圆柱形围栅金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)栅极将沟道完全包围，使沟道中电势得到很好控制，抑制了短沟道效应，此外圆柱形围栅MOSFET具有更高的包装密度高和无拐角效应的特点，这些使纳米尺度围栅MOSFET在高速低功耗电路应用中极具潜力。本文主要从解析模型和基础制造工艺两个方面对围栅MOSFET进行了研究。 通过求解沟道二维电势Poisson方程，建立了应变围栅MOSFET的阈值电压模型，研究了阈值电压与沟道长度、SiGe中Ge组分含量及栅氧化层厚度等之间的关系及变化规律，并利用器件数值仿真软件的仿真

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应变围栅模型工艺纳米线

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围栅MOSFET的栅极结构完全包围沟道，拥有最强的栅控能力，对短沟道效应的抑制最为明显，并且具有零拐角效应和较高的集成密度，这些特点使围栅MOSFET成为应用于亚10纳米工艺领域的最理想器件结构。因此，为使研究围栅MOSFET能应用于未来的集成电路设计和仿真中，建立其解析模型就非常必要。本文主要研究了围栅MOS器件的二维表面势模型、短沟道效应、径向量子效应、以及器件的弹道输运模型。首先，在同时考虑耗尽电荷和移动电荷的基础上，通过在圆柱坐标系下求解泊松方程，本文建立了在不同掺杂情况从亚阈值区到强反型区都适用的二维短沟道表面势模型，并采取数学方法将隐式表达的表面势模型转化为显式表达，从而大大提高了模型的计算效率。并在此基础上得到了阈值电压、亚阈值斜率的解析模型，分析了器件的短沟道效应。其次，结合本文建立的表面势模型通过求解基于精确势阱分布的薛定谔方程，本文建立了同时考虑短沟道效应及径向量子效应的围栅MOSFET解析模型，得到了沟道载流子的分立子能级及波函数。通过本文模型与分别使用平带势阱分布和抛物线势阱分布的两种量子模型得到的分立能级的对比，发现本文模型拥有较大的适用范围，对于短沟道和长沟道器件从亚阈值区到强反型区都适用。在此基础上，本文通过等效禁带宽度变宽的原理引入拟合参数对表面势进行了量子修正，得到了器件量子效应影响下载流子的分布，基于载流子平均密度的概念推导了量子阈值电压的表达式，分析了量子效应对阈值电压的影响。再次，建立了围栅MOSFET的弹道输运模型。结合本文建立的基于精确势阱分布的量子效应模型利用通量理论建立了器件的弹道输运模型，模型中反射系数引入了拟合参数，并分别讨论了不同尺寸的器件在弹道输运(不考虑散射)和准弹道输运(考虑散射)下的漏电流的模型。本文利用数值仿真软件对所建立的解析模型进行了验证，结果表明本文模型所得结果的规律与数值仿真结果吻合较好。

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围栅MOSFET表面势短沟道效应量子效应弹道输运

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针对深亚微米围栅金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的短沟道效应随沟道长度减小而愈加明显,以及移动电荷在器件强反型区对表面势影响显著的问题,提出了一种全耗尽围栅MOSFET二维模型.同时考虑耗尽电荷和自由电荷的影响,结合沟道与氧化层界面处的边界条件,求解一维泊松方程,得到一维电势分布模型,然后结合器件源漏处的边界条件求解拉普拉斯方程,最终得到全耗尽围栅MOSFET精确的二维表面势模型,并在此基础上得到了阈值电压、亚阈值斜率等电学参数的解析模型.利用Sentaurus软件对解析模型进行了验证,结果表明:该模型克服了本征模型在重掺杂情况下失效和仅考虑耗尽电荷的模型在强反型区失效的缺点,在不同沟道掺杂情况下从亚阈值区到强反型区都适用;与原有模型相比,该阈值电压模型的误差减小了45.5%.

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表面势 短沟道效应 围栅 阈值电压

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本发明涉及微电子器件制造领域，公开了一种垂直硅纳米线围栅场效应晶体管自上而下的制备方法。该垂直纳米线场效应晶体管包括：半导体衬底，垂直设置在半导体衬底上的纳米线沟道区，沟道外是环状的栅导电层。所述纳米线沟道区上设置有源导电层，上部掺n杂质作为源端n区，与漏导电层底部接触的半导体衬底掺n杂质作为漏端n区，在源端与沟道之间增加一个非对称Halo掺杂结构p+区。本发明提出的制备垂直硅纳米线围栅场效应晶体管的方法可以很好的控制纳米线的位置和尺度一致性，简化了制作工艺，降低了制作成本。

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围栅MOSFET的整个沟道区被栅极完全包围，栅控能力大大增强，有效抑制了短沟道效应和泄漏电流，并且利用传统体硅工艺制备硅纳米线器件结构具有很好的可集成性，因此圆柱形围栅MOSFET被认为是最有潜力拓展到10nm量级领域的器件结构之一。因此，为围栅晶体管结构建立模型具有非常重要的意义。论文主要讨论了基于表面势方法得到的围栅器件并考虑小尺寸效应的电流模型以及异质围栅器件漏电流模型。首先，论文针对深亚微米级围栅MOSFET处于堆积或反型时，自由载流子对表面势影响显著这一问题，采用渐变沟道近似法求解电势泊松方程给出了一种全耗尽圆柱形围栅MOSFET表面势和电流解析模型。其次，随着晶体管尺寸的等比例缩小， 围栅MOSFET多晶硅耗尽的问题也会进一步加剧，通过求解多晶硅栅上的电势泊松方程并利用已经得到的MOSFET表面势解析模型，得到多晶硅耗尽层上压降；计算沟道中散射的程度随栅压产生的垂直电场和沟道电压产生的源漏电场的变化，得到载流子的迁移率随电场变化的解析表达式；分析了围栅器件中沟道长度调制效应。再次，论文提出了新型的围栅结构以提高围栅的性能，在沟道源端一侧引入高掺杂 Halo 结构的异质栅围栅MOSFET。把器件当作三部分来考虑并且根据电流连续性，计算得到了一个漏电流模型，模型不仅考虑了沟道长度调制效应和碰撞电离，还考虑了沟道掺杂浓度和垂直电场分布对器件电流的影响。所得结果表明该类型器件具有较好的电流驱动和抑制热载流子的能力。本文将模型解析表达式所计算的结果与器件数值模拟软件SenTaurus的数值进行了验证，所得结果吻合得很好。

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围栅MOSFET表面势迁移率漏电流多晶硅耗尽

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