一种新型双材料双栅的MOSFET器件的性能研究

曾庆王，许会芳

(1.格里菲斯大学工程与建筑环境学院，澳大利亚 昆士兰州布里斯班 4111；2.安徽科技学院电气与电子工程学院，安徽 滁州 233100)

金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)性能的提升可有效推动集成电路产业的发展。然而,为满足低功耗的要求，MOSFET器件的工作电压需要随着器件尺寸的不断减小而不断降低。随着MOSFET尺寸的不断减小,短沟道效应(Short-channel effects，SCEs)、关态电流增大、亚阈值摆幅大等使传统的以硅材料为基础的场效应晶体管的电学特性急剧退化。在工程应用中，工作电压按比例缩小会影响电路的动态范围。因此，通过减小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电路性能的技术路线将面临着重大的挑战。

为此，研究者提出新的工作机理的半导体器件，或者寻找新型的半导体材料代替硅材料提升器件的电学性能。如文献[3]提出的隧穿场效应晶体管(Tunneling-field effect transistor，TFET)可以解决MOSFET器件的亚阈值摆幅受限的问题。TFET器件的亚阈值摆幅小、工作电压低、关态电流低、短沟道效应不明显等诸多特点，受到了越来越多的关注；但其开态电流相对于同样尺寸的MOSFET而言，其值比较低，以及该器件的双极性电流的特点，也在一定程度上制约了其进一步发展。文献[8]通过寻找新材料和新结构提升器件的开态电流。如文献[9]提出的平面InAs/GaSb面隧穿场效应晶体管，可以提升器件的开态电流、减小器件的亚阈值摆幅和关态电流；双材料栅、双栅、三栅、鳍式栅、围栅、环栅、纳米线等新型结构可提升栅控沟道的能力；文献[11]提出的线隧穿，通过增大隧穿面积提升隧穿电流，但会增加制造工艺的难度；此外，由于石墨烯材料在光学、电学等方面的显著特性，近年来研究者们推荐其成为替代硅材料制造半导体器件，但其在半导体器件方面的应用研究还有待于进一步深入。尽管学者们提出了新结构和新工作机理的器件，且采用多种方法提升器件的开态电流，但在相同条件下，其开态电流仍然小于MOSFET器件的开态电流。因此，在实际工程应用中还是受到了限制。

为更好提升MOSFET器件的电学特性，本文以GaN为材料作为MOSFET器件，该材料是继第一代的半导体材料(Ge，Si)、第二代半导体材料(GaAs、InP化合物)之后的第三代半导体材料。GaN由于具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等优点，成为制作大功率、高频、高温及抗辐照电子器件的理想替代材料，应用非常广泛。本文通过Technology Computer Aided Design(TCAD)器件仿真的方法，分析双材料双栅GaN MOSFET器件的电学特性、温度特性及器件的电学参数和器件的结构参数的关系，探究器件的电学特性随温度变化的影响机理，以期为新型MOSFET器件的工艺制造和设计提供理论依据和设计标准。

1 器件的结构定义

器件的结构如图1所示，其中栅-氧化物用的是SiO,厚度为1nm；器件的材料采用GaN，厚度为10nm。靠近源区的栅极(Gate,Gate1)的功函数为3.9eV，靠近漏区的栅极(Gate2,Gate3)的功函数为4.9eV。器件的源区长度为20nm，沟道的长度为50nm，漏区的长度为20nm。靠近源区的栅长

L

为10nm，靠近漏区的栅长

L

为40nm。器件沟道的掺杂浓度为1×10cm,源区和漏区的掺杂浓度均为n型重掺杂，其掺杂浓度为1×10cm。器件采用Silvaco软件进行仿真。仿真模型采用了禁带带隙变窄模型、费米-狄拉克统计模型、隆巴迪迁移率模型和肖克莱-里德-霍尔复合模型。

图1 器件的结构图

2 器件的特性分析

2.1 器件的直流特性分析

当漏-源电压为0.1V，栅-源电压为0～1V时，便可以得到器件的转移特性。该过程中，器件的顶栅(Gate和Gate2)和底栅(Gate1和Gate3)所加的电压始终相同。图2(a)中的漏极电流采用的是对数坐标轴，由转移特性可知，器件的开态(栅-源电压为1V，漏-源电压为0.1V)电流为10的数量级，器件的关态(栅-源电压为0V，漏-源电压为0.1V)电流达到了10的数量级。在双材料栅的功函数分别为3.9eV和4.9eV所设置的器件参数下，该器件的开关电流比为1×10。器件的亚阈值摆幅的值为60.8mV/dec。这是由于MOSFET器件的工作机理是漂移扩散机制，其亚阈值摆幅的理想值最高为60mV/dec。显然，MOSFET器件的亚阈值摆幅值非常好。

(a)转移特性

(b)输出特性图2 器件的直流特性

器件的输出特性如图2(b)所示，其中栅-源电压分别固定为0.5V、1V、1.5V，漏-源电压为0～2V。由图2(b)可知，在相同的漏-源电压作用下，随着栅-源电压的增加，栅控沟道的能力增强，器件的漏极电流会随之增大；图2(b)中第二组曲线的漏极电流值明显比第一组要大很多，第三组曲线的漏极电流值明显比第一组要大很多。另外，相同的栅-源电压作用下，随着漏-源电压的增加，器件的工作状态将发生改变， 器件的漏极电流也随之变化； 但当漏-源电压增大到一定值后，器件的漏极电流将趋于饱和， 此时尽管漏-源电压继续增大，但漏极电流的值不再随之变化或者说变化很小， 而且从图2(b)中也可以看出，该器件的短沟道效应很小。

2.2 器件的射频特性的分析

器件的跨导定义为漏-源电压固定为定值0.1V时，漏极电流的变化量与栅-源电压的变化量的比值。该器件的跨导特性如图3(a)所示，在栅-源电压比较小时，器件的跨导值比较小，因为此时器件并未开启，其漏极电流非常小。但随着栅-源电压的进一步增加，器件的跨导值也会继续增大，这是由于此时器件已经导通了，且其漏极电流增加比较显著，如图2(a)所示。但当栅-源电压增大到一定值后，跨导会达到最大值，且随着栅-源电压的进一步增加，其值开始减小，这是由于此时漏极电流的变化值很小。器件的栅-源电容、栅-漏电容如图3(b)所示，器件的射频特性如截止频率、增益带宽乘积等射频参数与器件的跨导成正比，与器件的电容成反比。所以在实际的器件设计时，应从器件的结构、材料等方面来充分考虑如何提高器件的跨导特性以及减小器件的电容特性，从而提升器件的射频特性。

(a)跨导特性

(b)电容特性图3 器件的射频特性

2.3 器件的温度特性的分析

与传统的Si MOSFET器件不同，GaN MOSFET 器件可应用于高温环境，本研究将分析GaN MOSFET 器件的电学特性随温度的变化规律。由图4可知，在其他条件相同的情况下，器件在300K时的关态电流明显比600K时小，且器件的阈值电压随着温度的升高而减小。这是由于阈值电压随温度的变化主要跟费米势和本征载流子浓度有关，而本征载流子随着温度的升高而增大，费米势也会随温度的升高而减小。费米势的减小影响到阈值电压向左漂移，即器件的阈值电压会随着温度的升高而减小。

图4 器件在300K和600K时的转移特性

如图5所示，在相同的条件下，只改变器件的工作温度，当栅-源电压为1.5V时，300K对应的电流值比600K对应的电流值大。GaN MOSFET 器件的输出特性随温度升高而衰退，主要是由于MOSFET器件的阈值电压和迁移率对温度的响应，迁移率随温度的升高迅速下降。

图5 器件在300K和600K时的输出特性

如图6(a)所示，不同温度下，GaN MOSFET 器件的跨导特性的变化趋势是相同的，主要差异在于，一方面跨导的最大值随着温度的升高而减小，因为跨导主要表征的是器件将栅-源电压转换为漏极电流的能力；另一方面跨导取得最大值时所对应的栅-源电压的大小会随着器件的工作温度的升高而增大。另外，如图6(b)所示，温度的变化对该MOSFET器件的电容特性影响不明显，并且MOSFET器件的栅-源电容大于栅-漏电容。

(a)跨导特性

(b)电容特性图6 器件在300K 和600K时的特性

2.4 器件的结构参数的优化设计

根据前文分析，靠近源区的栅长

L

为 10nm，靠近漏区的栅长

L

均为40nm。现将靠近源区的栅长分别设置为10nm、20nm、30nm，由图7(a)可知，增大器件的靠近源区的栅长，能小幅改善器件的开态电流，这是由于靠近源区的栅的功函数小于靠近漏区的功函数导致的。而由图7(b)可知，靠近源区的栅长的变化对关态电流的影响较大，且器件的阈值电压也明显受到影响。因此，在实际设计的过程中，应综合考虑器件的电学特性参数来确定器件的结构参数，一般选择长度较小的靠近源区的栅长，如图1中的靠近源区的栅长为10nm。

图7 器件在不同栅长比下的转移特性曲线

3 结论

本文提出一种双材料双栅GaN MOSFET器件，该器件具有亚阈值摆幅接近于60mV/dec理论值、开关电流比为1×10的优点。器件的关态电流随着温度的升高而增大，输出电流和跨导随着温度的升高而退化。同时，器件靠近源区的栅长的大小也会影响着器件的电学特性，其长度越小器件的电学特性越好。因此，在实际设计器件时，应综合考虑器件的电学特性，采用折中的办法选择合适的器件结构参数和材料参数。

由于GaN MOSFET器件具有低泄漏电流、低功耗的特点， 因此， 可考虑将其应用于数字电子技术中的开关电路等高速、 低功耗的场合。 但文中对器件的特性研究还不够全面，后续将进一步研究GaN MOSFET器件的瞬态特性、非线性特性、噪声特性以及GaN MOSFET器件在电子电路如反相器、放大电路及在生物传感器中的应用， 从而将该器件应用到更广的场合。同时， 由于该器件的亚阈值摆幅不能做到小于理论极限值， 后续还可对MOSFET和TFET两种器件进行综合设计， 充分发挥两种器件的优点， 旨在提高器件的开态电流、 减小器件的短沟道效应、 进一步减小器件的亚阈值摆幅。