负电容场效应晶体管特性及其解析模型研究（清华大学优秀博士学位论文丛书）

蒋春生博士分别于2013年、2018年在西安电子科技大学和清华大学获得学士和博士学位。2016年9月到2017年9月，赴美国普渡大学联合培养一年。蒋博士现担任中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心助理研究员。他专注于新型低功耗半导体器件的数值仿真、解析建模、工艺制备和可靠性研究。蒋春生博士在国际著名期刊和国际会议、共发表SCI和EI论文30篇，同时也是书籍《Nano Devices and Sensors》的主要作者之一。

本书采用数值仿真、解析建模和实验制备的手段对集成电路亚10nm阶段新型低功耗半导体器件-负电容场效应晶体管（NC-FETs）的工作原理和设计优化进行了研究和探索。在负电容场效应晶体管的解析模型及其特性优化、新型负电容场效应晶体管器件结构的提出、以及基于二维材料的负电容场效应晶体管的制备等方面，本书做出了一系列原创性的研究工作，可为从事新型半导体器件设计的技术人员提供参考。

第1章引言

1.1平面MOSFET器件等比例缩小规则及其功耗挑战

1.2超陡亚阈值斜率器件概述

1.3负电容晶体管的研究进展

1.3.1负电容效应的概念及其简单的实验验证

1.3.2铁电负电容晶体管

1.3.3压电栅势垒负电容晶体管

1.3.4沟道嵌入型铁电负电容晶体管

1.3.5二维沟道材料负电容晶体管

1.4负电容晶体管在实验制备、数值仿真和解析建模中面临的

挑战

1.5本书的研究内容与结构

1.6本章小结

第2章双栅负电容晶体管解析模型研究

2.1铁电NCFET器件的通用数值仿真方法

2.2MFIS结构长沟道双栅NCFET器件电流解析模型

2.2.1MFIS结构双栅NCFET器件沟道表面势

的推导

2.2.2MFIS结构双栅NCFET器件沟道电流表达

式的推导

2.3解析模型验证与结果讨论

2.3.1数值求解边界约束方程

2.3.2器件工作在负电容区的判定条件

2.3.3MFIS结构双栅NCFET器件的转移特性

2.3.4MFIS结构双栅NCFET器件的输出特性

2.4本章小结

第3章围栅负电容晶体管解析模型研究

3.1MFIS结构长沟道GAA NCFET器件电流解析模型

3.1.1MFIS结构GAA NCFET器件沟道表面势的

推导

3.1.2MFIS结构GAA NCFET器件沟道电流表达式

的推导

3.2MFIS结构GAA NCFET器件的设计准则

3.3MFIS结构GAA NCFET器件的设计优化

3.3.1铁电材料层厚度对GAA NCFET器件电学

特性的影响

3.3.2沟道半径对GAA NCFET器件电学特性的影响

3.3.3绝缘缓冲层介电常数对GAA NCFET器件电学

特性的影响

3.3.4绝缘缓冲层厚度对GAA NCFET器件电学特性

的影响

3.4MFIS结构GAA NCFET器件的转移特性曲线

3.5MFIS结构GAA NCFET器件的输出特性曲线

3.6本章小结

第4章负电容无结型场效应晶体管特性研究

4.1传统无结型晶体管的工作原理及其面临的挑战

4.2双栅NCJLT器件数值仿真研究

4.2.1DG NCJLT器件结构及其数值仿真方法

4.2.2DG NCJLT器件的转移特性

4.2.3DG NCJLT器件工作原理

4.2.4DG NCJLT器件的亚阈值摆幅

4.3双栅NCJLT器件解析模型研究

4.3.1Baseline DGJLT器件电流电压模型

4.3.2Baseline DGJLT器件本征端电荷模型

4.3.3Baseline DGJLT短沟道效应模型

4.3.4Baseline DGJLT有效沟道长度模型

4.3.5Baseline DGJLT基本电路模块仿真

4.3.6DG NCJLT器件电流电压模型

4.3.7短沟道DG NCJLT器件的转移特性

4.3.8寄生电容对短沟道DG NCJLT器件电学性能

的影响

4.3.9温度对短沟道DG NCJLT器件电学性能的影响

4.4本章小结

第5章负电容隧穿场效应晶体管特性研究

5.1传统隧穿场效应晶体管工作原理及其缺点

5.2GAANCTFET器件的数值仿真方法

5.3短沟道GAANCTFET器件解析建模及模型验证

5.4短沟道GAANCTFET器件的工作原理

5.4.1短沟道GAANCTFET器件的电学特性

5.4.2最短隧穿距离与最大带带隧穿产生率

5.4.3GAANCTFET器件设计准则

5.4.4不同铁电材料对GAANCTFET器件电学特性

的影响

5.5本章小结

第6章二维沟道材料背栅NCFET器件特性研究

6.1背栅2D MoS2 NCFET器件的制备

6.1.1器件结构与工艺流程

6.1.2Hf0.5Zr0.5O2介质铁电性的验证与测量

6.1.3单层和多层MoS2表征

6.1.4负DIBL效应与负微分电阻效应

6.1.5退火温度对器件性能的影响

6.1.6背栅2D MoS2 NCFET器件的低温性能

6.2背栅2D NCFET器件的解析建模

6.2.1Baseline 2D FET器件电流电压模型

6.2.2Baseline 2D FET器件端电荷模型

6.2.3背栅2D NCFET器件的电流电压模型

6.2.4背栅2D MoS2 NCFET的电学特性与解析模型

验证

6.2.5背栅2D MoS2 NCFET的设计准则与设计空间

6.2.6背栅2D MoS2 NCFET的动态特性与本征

工作频率限制

6.2.7寄生电容对背栅2D MoS2 NCFET静态及

动态特性的影响

6.3本章小结

第7章总结与展望

7.1主要研究及成果

7.2创新点

7.3展望

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢