一种非易失性可重构场效应晶体管研究

连丹纯，刘 溪

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870）

1 引言

极性可控场效应晶体管，或称可重构场效应晶体管（RFET），作为一个单一设备，可通过在操作期间重置施加在程序门上的电压来灵活配置为N型或P型FET[1-3]。RFET以这一功能特点，在可编程逻辑阵列中发挥着独特的优势，使用比传统CMOS技术更少的晶体管实现各种逻辑门[4-8]。然而，额外的编程门从本质上增加了金属互连的难度，与单栅结构相比，当器件处于关闭状态或反向偏置状态时，始终在高压水平下工作的程序门引起的局部电场增强也会增强频带弯曲，导致隧穿效应，增加功耗。这种效应对于高度集成的RFET尤其显著。当编程门和控制门应用于极性相反的电压时，这两个门之间区域的隧穿效应将显著增强。针对这一问题，在此提出一种非易失性浮动可编程门可重构场效应晶体管（FPG-RFET）。

2 器件结构

与传统的RFET不同，FPG-RFET引入了非易失性电荷存储层作为浮动程序门，而不是需要独立电源的程序门，在浮动程序门中存储的电荷可以通过控制门进行编程，所以本质上只需要一个独立供电的门即可完成可重构操作。此外，控制门可以调节浮动编程门中的等效电压，有效地降低静态功耗和逆漏电流的产生。新设计器件结构如图1所示。

图1 新设计FPG-RFET结构图

可见，所设计器件为平面沟道。以N型为例，源/漏极与硅界面形成具有肖特基接触的阻挡结。采用金属结在源漏区处形成肖特基势垒，同时引入非易失性电荷存储层作为浮栅控制门。当控制门写入电荷被设置在特定值，即可调节器件的导通类型。以N型为例，新设计器件能带分布情况如图2所示。

图2 新设计器件能带图

当非易失性电荷存储层被写入正电荷时，开关装置工作在N模式。当栅电极处于正偏，如图2(a)，写入正电荷的非易失性电荷存储层和栅电极均对半导体隧穿层的隧道效应有所加强，因此可以产生较大的正向导通电流。电子空穴对主要由源区的带带隧穿产生。空穴流向源极，导带电子可以容易地流向漏极，对于电子从源极到漏极没有形成势垒。

当栅电极处于反偏时，如图2(b)，写入正电荷的非易失性电荷存储层和栅电极对半导体隧穿层所产生的隧道效应会抵消掉一部分，使得此时产生的反向泄露电流远小于正向导通电流，实现开关装置的低反向漏电特性。电子空穴对主要由漏区带带隧穿产生，电子流向漏极。加入正电荷的浮动控制门会对空穴形成一个潜在的势垒，能够有效地阻止空穴从漏极流向源极，大量漏电流因此受到阻止[9]。

3 与传统RFET性能比较

通过Silvaco Tools器件模拟来验证所提FPGRFET与相同尺寸下传统RFET的性能对比。如图3所示为两者传输特性曲线的对比结果。可见，两者的反向电流基本一致，而FPG-RFET具有较高的正向电流，几乎高出一个数量级。

图3 两种器件转移特性对比

两者能带图对比结果如图4所示。

图4 两种器件能带图对比

可见，正偏条件下，FPG-RFET从源到漏的能带弯曲比传统RFET更平滑，故而可以拥有更高的正向电流。反偏条件下，两者能带图基本一致，此证明二者在反向漏电流上具有同等的性能。

4 电荷数量对转移特性的影响

向浮栅中加入不同电荷数量，相应的转移特性曲线会显示出明显差异，如图5所示。

图5 浮栅中电荷数量对转移特性曲线的影响

转移特性曲线可分为三个工作状态区：正向导通区、静态工作区、反向漏电区。改变电荷数量对正向导通区的影响较为明显，正向电流随电荷量的增加而增加；反向漏电区所受的影响不太明显，反向漏电流随电荷的增加而降低，但其变化幅度较正向电流而言要小很多；在静态工作区也有明显影响，静态工作区电流随电荷量增大而增大，但同时也伴随着亚阈值摆幅的增大。综合来看，电荷量并不是越多越好，而是存在一个理想值。

此处以主控栅处于正向偏置和零偏置两种情况为例，讨论应当加入多少电荷量最为合适。当主控栅电极处于正向偏置时，向FPG-RFET的非易失性电荷存储层中加入不同电荷量，所引起的电场强度变化情况如图6所示。两个栅极之间的本征区域受到外加电压，将导致能带弯曲，产生带带隧穿效应。在图中可以看出，随着电荷量的增加，FPGRFET的主控栅和浮动控制门之间靠近漏极的本征区域的电场强度明显增强了，在该区域，电场强度大的地方能带弯折程度更大，隧穿距离更小，隧穿几率更大，从而产生了更强的带带隧穿效应，最终形成更大的正向隧穿电流。

图6 主控栅正偏置时浮栅电荷对电场的影响

当主控栅电极处于零偏电压下，FPG-RFET浮栅中不同电荷量引起电场强度变化如图7所示。同样，可以看出，随着电荷量的增加，FPG-RFET的主控栅和浮动控制门之间靠近漏极的本征区域的电场强度也是增强的，出于与正偏条件完全相同的原因，最终也形成了较大的隧穿电流，由此提高了静态工作点，改变了亚阈值摆幅。

图7 主控栅零偏置时浮栅电荷对电场的影响

至此，针对上述两种情况，综合来看，可得到一个理想的电荷值。在此实例中，此数值大约为2.4×10-17C。

5 结束语

所提出的这一新颖的FPG-RFET，是通过向非易失性电荷存储层写入电荷及改变栅电极电压来实现对肖特基势垒隧道效应强弱的控制的；改变半导体隧穿层与电极内嵌区之间的阻值，便可控制开关电流的大小。与传统的RFET相比，该设计具有低静态功耗和低反向泄露电流，对器件导通、关断和导电类型重置的控制也极为简便。本设计延伸了集成电路设计单元的逻辑功能，提供了更好的工作特性，有一定的推广应用价值。