碳纳米管场效应晶体管:现状和未来

硅基互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)场效应晶体管工艺已经发展到了14 nm技术节点,预计将很快到达其极限,需要寻找新的信息器件来延续摩尔定律.由于具备超小尺寸、高迁移率等显著优点,碳纳米管被认为是后摩尔时代最有潜力替代硅作为晶体管沟道的纳米材料之一.经过近20年的研究,基于碳纳米管场效应晶体管的技术已经取得了巨大的进步.本文将回顾碳纳米管场效应晶体管领域的关键性技术,包括N型欧姆接触实现、"无掺杂"CMOS技术、自对准顶栅结构以及尺寸缩减技术等.而且我们将分析碳纳米管晶体管在大规模材料制备以及碳管和电极接触方面存在的问题,并提出可能的解决方案.在此基础上,通过分析实验数据和模拟结果,对碳纳米管电子学的未来发展做出预测和展望,结果表明碳纳米管晶体管的潜力巨大,通过对材料和器件结构进行合理优化,碳纳米管晶体管在性能上可能远远超过硅基半导体对应技术节点的晶体管,成为后摩尔时代极其具有竞争力的信息器件.     

光敏BJMOSFET的物理模型及数值模拟

基于SOI薄膜,提出一种引入P^＋N注入结的光敏BJMOSFET（Bipolar Junction Metal—Oxide—Semiconductor Field Effect Transistor）结构．在此光敏器件中,栅电压使薄膜耗尽但不反型,光生载流子的复合可以忽略．根据基本的半导体方程,建立该器件的物理模型．数值模拟结果显示：在光敏BJMOSFET中,光生电子和空穴都参与导电,和传统的MOS管相比具有较高的灵敏度．此外,它能消除CMOS工艺下PN结大的暗电流,完全与CMOS工艺兼容．     

一种新型GaAs基无漏结隧穿场效应晶体管

针对隧穿场效应晶体管开态电流较低的问题,提出了一种新型GaAs基无漏结隧穿场效应晶体管结构,并对其性能进行了研究。在该结构中,沟道和漏区采用具有相同掺杂浓度的N型InGaAs材料,实现沟道/漏区无结化,简化了制造工艺;同时为了提高开态隧穿电流,源区采用不同于沟道的P型GaAsSb材料,实现异质源区/沟道结构。该结构能有效增大关态隧穿势垒宽度,降低泄漏电流,同时增加开态带带隧穿概率,提升开态电流,从而获得低亚阈值斜率和高开关比。仿真结果表明,在0.4V工作电压下,该新型GaAs基无漏结隧穿场效应晶体管的开态电流为3.66mA,关态电流为4.35×10~(-13) A,开关电流比高达10~(10),平均亚阈值斜率为27mV/dec,漏致势垒降低效应值为126。     

面向GPON的硅基锗探测器应用研究

锗硅探测器由于其在近红外波段有高响应度、高带宽,且与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺兼容等优良的光电特性,已经成为近几年的研究热点之一.为了研究硅基锗APD的商用通信测试指标,结合GPON(Gigabit-capable Passive Optical Networks)接入网的技术指标要求,实验研究了硅基锗探测器的光电变换特性.采用BERT搭建了可靠的硅基锗探测器测试系统,并对探测器进行了性能测试.该设计方案可靠性高,测试数据对实际应用有一定的指导意义.测试眼图表明,该探测器可以在2.5Gbps速率下可靠检测出2电平调制符号,有在GPON光通信网络中应用的潜力.讨论了进一步降低误码率,实现低误码、高可靠性的数据通信,减小信号因内部逻辑设计而产生的误码的几种方法.其中包括采用可扩展的Aurora光纤传输协议的传输方案、集成直流平衡缓冲器(DC-balancing Buffer)的方法和加入CDR(时钟数据恢复)模块的方法.数据表明,所提出的测试方案是可行的.本试验为硅基锗探测器在GPON上应用提供可行解决方案和技术数据.     

硅基Ⅳ族材料外延生长及其发光和探测器件研究进展

硅基光电集成回路是信息时代最具影响力的核心技术之一,由硅基光源、光电探测器、光调制器等模块组成.硅材料是微电子集成电路的基石,然而在光电集成方面却遇到了瓶颈.首先,由于硅是间接带隙材料,其发光效率极低,因此难以应用于硅基高效光源的研制.其次,硅在近红外通讯波段吸收系数很低,因此在近红外光电探测器的应用中具有较大的局限性.然而,研究者发现,通过能带工程将硅与其他Ⅳ族材料相融合不仅可以有效提高直接带高效发光效率,同时能使材料在近红外波段具有较高的吸收系数.因此,以Ⅳ族材料为基础,与硅工艺兼容的硅基光电集成回路引起了研究者的广泛关注.本文综述了课题组在硅基材料外延生长及其发光和探测器件方面的研究进展.介绍了硅基Ⅳ族材料Ge,SiGe/Ge异质结和量子阱材料的外延生长技术,以及硅基GeSn量子点发光材料的制备新方法.基于硅基Ⅳ族异质结构材料,发展调制金属与半导体接触势垒高度新机理,研制了多种结构的光电探测器.设计并制备了与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)结构兼容的横向异质结以及双有源区垂直共振腔型两种结构硅基电致发光器件,有效提升器件的发光性能,并观察到应变锗发光增益现象.     

高k栅栈MOSFET共振隧穿模型

针对高介电常数（k）栅堆栈金属氧化物场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）实际结构,建立了入射电子与界面缺陷共振高k栅栈结构共振隧穿模型.通过薛定谔方程和泊松方程求SiO2和高k界面束缚态波函数,利用横向共振法到共振本征态,采用量子力转移矩阵法求共振隧穿系数,模拟到栅隧穿电流密度与文献中实验结果一致.讨论了高k栅几种介质材料和栅电极材料及其界面层（IL）厚度、高k层（HK）厚度对共振隧穿系数影响.结果表明,随着HfO2和Al2O3厚度减小,栅栈结构共振隧穿系数减小,共振峰减少.随着La2O3厚度减小,共振峰减少,共振隧穿系数却增大.随着SiO2厚度增大,HfO2,Al2O3和La2O3基栅栈结构共振隧穿系数都减小,共振峰都减少.TiN栅电极HfO2,Al2O3和La2O3基栅栈比相应多晶硅栅电极栅栈结构共振隧穿系数小很多,共振峰少.     

基于表面势的碳化硅基VDMOS器件模型

为了满足功率电路及系统设计对碳化硅基垂直双注入金属氧化物半导体晶体管(VDM OS)模型的需求,建立了一套基于表面势计算方法的可描述碳化硅基VDM OS器件电学特性的模型.模型包括静态部分与动态部分.静态部分不仅分别针对沟道区、积累区、寄生结型场效应晶体管(JFET)区及N-外延层建立电流模型,还考虑了界面态对于阈值电压偏移与沟道迁移率的影响.动态部分中引入了界面陷阱对于电容的影响,完善了基于端电荷划分理论的动态模型.结果表明,所提器件模型的输出特性和转移特性的仿真结果与实测结果之间的均方根误差均小于5%,开关特性的仿真结果与实测结果之间的均方根误差小于10%.     

功率VDMOS器件的新型SPICE模型

为解决垂直双扩散金属氧化物半导体(VDMOS器件)模型精确度差的问题,建立了一套新的VDMOS模型.与其他模型相比,该模型在VDMOS器件源极、漏极、栅极3个外部节点的基础上,又增加了4个内部节点,从而将VDMOS器件视为1个N沟道金属氧化物半导体(NMOS)与4个电阻的串联.采用表面势建模的原理计算了积累区的电阻,并对寄生结型场效应晶体管(JFET)耗尽及夹断2种状态进行分析,计算出寄生JFET区的电阻.分别考虑VDMOS器件外延层区与衬底区的电流路径,建立了这2个区域的电阻模型.模型仿真值与器件测试值的比较结果表明,该模型能够准确拟合VDMOS器件线性区、饱和区及准饱和区的电学特性.     

SiC基HEMTs器件的沟道温度热仿真

GaN作为第三代半导体材料,具有大的禁带宽度,高的饱和速度以及非常高的漏电流密度,导致了AlGaN/GaN HEMTs器件在高温,高功率应用方面脱颖而出.本文通过使用有限元法,实现了在稳态条件下对高电子迁移率晶体管(HEMTs)的温度分布,得到了沟道温度随着沟道位置的不同而不同的变化图.通过仿真得到,在中心沟道处的温度最高,以及随着远离沟道中心,沟道温度将会减小的结论.     

VMOS功率场效应晶体管的制造工艺

VMOS功率场效应晶体管有两种结构，一种是VVMOS功率场效应晶体管，另一种是VDMOS功率场效应晶体管。VVMOS结构是美国雷达半导体公司在1975年首先提出的。这种结构是在n＋衬底上的n-外延层上，先后进行P型区和n＋型区两次选择扩散，然后利用硅的各向异性刻硅技术，刻注出v型槽。槽的深度由槽的开口宽度决定，槽壁与硅片平面成54．70角。沟道长度由扩散的深度差决定，在1～2um之间。漏极从芯片的背面引出。由于这种结构是利用V形槽实现垂直导电的，故称为VVMOS结构。     

室温下硅与硅锗合金的热电性能研究

采用第一性原理方法研究在温度为300 K时,硅单质和两种锗组分不同的硅锗合金的热电性能,发现虽然硅的热电功率因子S2σ较大,但由于其热导率也高,故不是良好的热电材料,但若与其同族的元素锗形成合金,就可使材料的热导率得到显著下降,伴随而来的载流子迁移率的下降则远不如热导率明显,从而可获得较大的热电优值,而且在硅锗合金中锗含量不同时,热电优值也会有变化.     

新型聚合物半导体薄膜及其场效应晶体管的研究

以新型的有机聚合物半导体(DPPTTT(poly(3,6-di(2-thien-5-yl)-2,5-di(2-octyldodecyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione) thieno [3,2-b] thiophene))为研究对象,利用溶液法制备了有机半导体薄膜并进行了一系列表征.发现半导体薄膜的厚度、表面粗糙度和拉曼峰强度均随溶液浓度和转速呈规律性变化.以该材料作为半导体活性层制备了p型有机场效应晶体管,发现当沟道长度降低到50μm时,器件的有效载流子迁移率最高,达到0.12 cm~2/Vs;同时观察到随着沟道长度的降低,载流子迁移率与阈值电压都有增大的趋势,这与普遍观察到的短沟道效应相反.这些研究内容或许可以为更好地理解有机场效应晶体管及器件物理提供新的观点.     

环栅肖特基势垒MOSFET解析电流模型

肖特基势垒金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor FieldEffect Transistor,MOSFET)的电流一般需要通过载流子的费米狄拉克分布对能量积分来计算或自洽迭代数值计算,为降低其复杂性,本文采用若干拟合参数,考虑镜像力势垒降低效应、偶极子势垒降低效应和小尺寸下量子化效应对肖特基势垒高度的影响,给出了环栅肖特基势垒MOSFET一种新的解析电流模型。所提出的电流模型与文献报道实验数据符合较好,验证了模型的正确性,对环栅肖特基势垒MOSFET器件以及电路设计提供了一定的参考价值.     

一种新型双材料双栅的MOSFET器件的性能研究

为了给新型场效应晶体管的工艺制造和设计提供新的设计思路和依据,文章以金属-氧化物-半导体场效晶体管(MOSFET)为研究对象,提出了一种新型双材料双栅MOSFET器件的设计方案.该器件采用具有宽禁带、高饱和电子速度、高热导性、高温工作等性能优势而在微电子领域和光电子领域广泛应用的新型半导体材料GaN.同时,通过仿真模拟对器件的转移特性、输出特性,跨导特性、电容特性以及器件的电学特性与温度的关系进行了分析.结果 表明,器件性能随着温度升高而退化的主要原因是迁移率和载流子饱和速率随温度的变化,且器件具有较好的亚闽值摆幅和开关电流比,适合于未来低功耗应用领域.     

超声波切割锗硅片

随着新技术的发展,半导体的需要量愈来愈大。但由于锗、硅等半导体材料质地硬脆,多数生产单位都是用钼锯条来切割成型。运用这种加工方法,不仅劳动生产率低,而且材料利用率低,废品率高。半导体材料价格昂贵,所以生产成本也高。因此改进切割加工方法,成为半导体管生产中的一个关键问题。我校物理教研组与有关单位合作。进行了运用超声波切割来代替钼锯切割的研究工作。 工作的目的在于提高目前切割半导体材料的成品率和生产率,配成了合适的超声振动系统,并解决了工具结构及加工工艺中的一些问题,已用于切小片的生产(即把直径约 30mm,厚 0. 8m…     

Si(100)和Si(111)衬底上的同质分子束外延

由于硅材料在大规模集成和微结构器件中应用最广,工艺最成熟,以硅为基础的分子束外延材料因此而倍受关注.例如,在硅衬底上外延生长Ⅲ-Ⅴ族半导体和在Ⅲ-Ⅴ族半导体上生长硅,有可能使微电子器件和光电子器件集成在同一芯片上;硅/绝缘体/硅和硅/硅化物/硅单晶结构的生长是实现三维集成、提高集成度的有效途径之一.根据现在已有的实验结果和文献报导,要获得一个界面缺陷少、电学和光学特性优良的异质器件,衬底表面的清洁处理和同质分子束外延生长一个缓冲层是器件制备过程中极为主要的.本文选用φ39mm、n型的Si(100)和φ34mm、p型的Si(111)单晶片为衬底,探讨了它们的清洁处理和同质生长条件.     

科技动向

正中美联手研制新型硅基光子芯片科学界希望光子芯片成为未来超高速通信和运算的主要信息处理器件。中国南京大学和美国加州理工学院研究人员设计出一种新型硅基光子芯片,初步实现了光的单向无反射传输,其可与CMOS(互补金属氧化物半导体,一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料)工艺相容的新一代光子器件集成工艺设计、制备提供了新途径,拓展了光子晶体及传统超构材料的研究领域,为经典光系统中探索和发展具有量子特性的新型光子器件提供了新的研究思路。     

真空栅介质场效应晶体管自热效应模型

针对纳米尺度金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)热传输尺度效应对自热效应影响加剧的问题,提出一种考虑尺度影响的真空栅介质垂直堆叠硅纳米线(SiNWs)环栅场效应晶体管(GAA FET)自热效应模型。首先,分析硅薄膜与SiNWs内声子散射自由程之间的关系,量化用于衡量声子边界散射的SiNW热导率衰减因子;然后,根据国际上现阶段关于纳米硅薄膜热导率的解析模型,推导得到考虑尺度效应影响的SiNW热导率解析模型;最后,结合纳尺度器件热传输的关键路径,建立起考虑尺度影响的GAA SiNWs FET自热效应模型。在TCAD软件中采用所提自热效应模型实现了GAA SiNWs FET自热效应的数值计算。仿真结果表明:低热导率真空栅介质、垂直堆叠多热源与热传输尺度效应将导致真空栅介质GAA SiNWs FET热生成与扩散过程更加复杂,加剧器件自热效应;通过真空栅介质间隙与环绕气体压强之间的折中设计能够最大化栅极热传输能力,达到抑制器件自热效应以改善器件性能及其可靠性的目的;与传统自热效应模型估算的热点温度值相比,所提出的自热效应模型预测的真空栅器件内热点温度提高了30%,表明该自热效应模型能够有效的揭示GAA FET内SiNW热传输尺度效应对自热效应的影响机制。     

一种高线性度的射频收发开关的设计

基于0.18 μm射频锗硅工艺,提出了一种可广泛应用于无线通信系统的低插入损耗和高线性度的射频开关电路.该电路利用特殊的深N阱工艺、高衬底电阻器件,采用经典的串并联堆叠结构开关电路,实现了低插入损耗和高线性度的目的.测试结果显示:在频率为2.4 GHz下,插入损耗,隔离度和1 dB压缩点分别为-1 dB,- 34 dBm和23 dBm.     

金属氧化物薄膜晶体管及其在新型显示中的应用

为适应高分辨率、大尺寸的液晶(LCD)和有源有机发光二极管(AMOLED)等新型显示技术发展的需要,开发了一种新型的基于金属氧化物有源半导体材料的薄膜晶体管(MOTFT)驱动面板.文中阐述了MOTFT的材料、器件结构、制作工艺以及应用,并对影响MOTFT性能的因素进行了讨论.研发团队开发的MOTFT的迁移率最高可达21.6cm2/(V.s),阈值电压为1.63V,开关比为109,亚阈值摆幅为0.216 V/decade.基于该MOTFT驱动面板,在国内率先实现了5英寸彩色AMOLED显示屏.该MOTFT驱动面板具有迁移率高、制作工艺简单、成本较低以及容易实现大面积等优势,在LCD和AMOLED等新型显示领域具有广泛的应用前景.