蒋春生:负电容场效应晶体管特性及其解析模型研究

B1

蒋春生:2018年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

负电容场效应晶体管特性及其解析模型研究

Research on the Electrical Characteristics and Analytical Model of Negative Capacitance Field Effect Transistor

作       者:蒋春生          

指导教师:许军

培养院系:微电子与纳电子学系             

学       科:电子科学与技术

读博感言:勤奋与谦卑是打开学术殿堂的钥匙

研究背景/选题意义/研究价值

随着集成电路发展进入亚10nm阶段,静态功耗已经成为MOSFET器件尺寸进一步缩小的主要瓶颈。降低静态功耗的关键是要突破玻尔兹曼热力学限制(室温下MOSFET亚阈值摆幅:SS≥60mV/dec)。负电容场效应晶体管(NC-FETs)是一种基于负微分电容效应的新型低压低功耗场效应晶体管,该负微分电容可利用某些特定电介质材料所具有的特殊极化特性(例如铁电材料的极化反转)来实现。NC-FETs在室温下能实现SS<60mV/dec且其制备工艺与主流CMOS工艺相兼容,还具有工作电压低和关态电流(Ioff)小等优势,是集成电路亚10nm阶段最有前途的低功耗器件候选者之一。

主要研究内容

论文针对负电容场效应晶体管的关键技术进行了研究,采用数值仿真、解析建模和实验制备的手段对多种NC-FETs的工作原理和设计优化进行了研究和探索:

1. 建立了多栅负电容场效应晶体管的电流解析模型;

2. 提出了负电容无结型晶体管和负电容遂穿晶体管两种新型低压低功耗器件结构;

3. 实验制备了基于二维材料的背栅MoS2 NCFET; 

4. 提出了适用于背栅二维沟道材料的负电容场效应晶体管通用解析模型。

B2

实验制备的背栅MoS2 NCFET器件:(a)结构示意图;(b)横截面TEM图与(c)能谱仪(EDS)测量图

B3

解析模型验证:(a)从铁电HZO的P-E曲线提取朗道系数;(b)解析模型计算和实验测量的器件转移特性曲线;(c)解析模型计算和实验测量的SS;(d)栅泄露电流

主要创新点

1. 将载流子漂移-扩散输运方程与铁电栅介质的朗道相变理论相结合,建立了双栅及围栅NC-FET基于可动载流子的I-V解析模型和提出了负电容场效应晶体管的通用设计准则。

2. 实验制备了背栅MoS2沟道材料负电容场效应晶体管,实测室温下器件的亚阈值摆幅小于60mV/dec,突破了传统场效应晶体管的玻尔兹曼热力学限制。

3. 提出并建立了适用于背栅二维沟道材料的负电容场效应晶体管通用解析模型。

代表性学术发表

1. C. Jiang, et al., JEDS, 6(1): 189-193, 2018. 

2. C. Jiang, et al., TED, 64(12): 4823-4830, 2017. 

3. C. Jiang, et al., JPD, 48(36): 365103, 2015.

4 . C. Jiang, et al., TNAO, 16(1): 58-67, 2017. 

作者:蒋春生

供图:蒋春生

来源:清华大学研究生院
江西师范大学历史文化与旅游学院 版权所有网站地图
地址:中国・江西・南昌紫阳大道 99 号  邮编:330022 Tel:0791-8120300
赣ICP备05000146号 管理员信箱: root@jxsdwl.cn