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作者：邵景琰华东师范大学

学位级别：硕士

依照摩尔定律发展的超大规模集成电路已进入至深纳米级节点,受限于日益严峻的短沟道效应,传统CMOS器件难以继续满足高速发展的半导体器件技术要求。在较低功耗下拓展晶体管的功能,是后摩尔时代半导体器件设计的新兴研究热点和长期追求... 详细信息

依照摩尔定律发展的超大规模集成电路已进入至深纳米级节点,受限于日益严峻的短沟道效应,传统CMOS器件难以继续满足高速发展的半导体器件技术要求。在较低功耗下拓展晶体管的功能,是后摩尔时代半导体器件设计的新兴研究热点和长期追求目标。借助于不同的电学偏置,基于肖特基结带带隧穿的可重构晶体管(RFET)可同时实现N型和P型导电,即在晶体管级拓展了传统晶体管的功能,从而以更紧凑的逻辑门实现功能更强大的电路系统,为未来集成电路技术发展提供了新途径,为3～5 nm节点强有力的候选器件。另外,在航空电子领域,航空应用集成电路的高度集成化、小型化和轻量化是发展的必然趋势,因此RFET可重构的性质对于航空航天等空间辐射领域而言具有巨大的应用潜力。但不容忽视的是,空间环境中的各种辐射效应会给集成电路带来不可估量的挑战,导致电子系统性能下降和一系列可靠性问题。因此,评估器件的抗辐照能力是将其应用到航空领域前不可或缺的环节。本文主要探究了RFET器件及其单元电路的辐射效应,具体研究内容及成果如下:一、提出了一种RFET总电离剂量损伤(Total Ionizing Dose,TID)效应的TCAD仿真评估方法,并针对RFET器件及SRAM单元电路开展了TID效应的研究。结果表明,当RFET偏置于N-FET和P-FET时,经过40 Mrad(Si)的辐照后其阈值电压(V)分别降低了83 m V和增加了57 m V,即N-FET对TID效应更为敏感。并且位于源端侧墙中的氧化物固定陷阱电荷(N)是导致RFET辐照后性能下降的主要原因。控制栅极电压(V)和源端侧墙的长度(L)对TID辐照响应的影响最为显著,V越小,L越短,TID效应的耐受性就越强。由于辐照后N-FET的V降低,导致基于RFETs的SRAM单元电路的读取静态噪声容限在辐照后亦减小。二、仿真评估了RFET器件的位移损伤效应(Displacement Damage,DD)。发现只有在质子注量高于7.5e17 cm的情况下,RFET器件才会发生明显的电学性能退化,此时N-FET开态电流下降了19.41%,这说明RFET器件对DD效应具有较强的免疫能力。在此基础上,深入讨论了DD效应关于电极偏置以及结构几何尺寸的依赖性,结果表明DD效应主要表现出与V(V)成负(正)相关,与纳米线直径D(L)成正(负)相关的依赖关系。三、探究了RFET器件及单元电路的单粒子瞬态效应(Single Event Transient,SET)。当重离子垂直入射器件沟道中心,LET=10 Me V·cm/mg,特征半径(wt＿hi)=1 nm时,N-FET的漏端峰值瞬态电流可高达0.237 m A,远高于辐射前饱和驱动电流2.22μA/μm。V对SET效应的影响尤为显著,较高的横向电场会使SET效应发生恶化。此外研究还表明,粒子撞击处的电场越强且距离漏端越近、撞击角度越小,SET效应越严重。基于RFETs的NAND2/NOR2逻辑门电路的混合仿真结果显示,当LET=6 Me V·cm/mg,撞击时间为输入信号变化沿的末端时,NAND2/NOR2逻辑门电路的上升相对传播延迟分别高达34.49%和11.59%,下降相对传播延迟分别高达35.04%和52.38%。综上所述,本论文对RFET器件的TID效应、DD效应以及SET效应进行了详细的研究,并对基于RFETs搭建的SRAM单元电路的TID效应以及NAND2/NOR2逻辑门电路的SET效应展开了进一步的探索。本文的工作对于RFET器件的辐射加固以及基于RFETs电路的抗辐照设计具有一定的参考意义。

关键词：可重构场效应晶体管总电离剂量损伤效应位移损伤效应单粒子瞬态效应 SRAM

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负电容可重构场效应晶体管（NC-RFET）以及波动性分析

负电容可重构场效应晶体管（NC-RFET）以及波动性分析

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作者：孙子涵华东师范大学

学位级别：硕士

随着晶体管特征尺寸逐步逼近硅物理极限,仅仅通过尺寸缩放来获得晶体管性能提升与经济效益越发困难。如何独辟蹊径,开发原理、新结构的半导体器件是后摩尔时代集成电路器件技术新兴研究热点。可重构场效应晶体管(RFET)即是其中一个突出... 详细信息

随着晶体管特征尺寸逐步逼近硅物理极限,仅仅通过尺寸缩放来获得晶体管性能提升与经济效益越发困难。如何独辟蹊径,开发原理、新结构的半导体器件是后摩尔时代集成电路器件技术新兴研究热点。可重构场效应晶体管(RFET)即是其中一个突出代表,凭借其特有的极性可控特性而受到广泛的关注。借助于极性编程栅,RFET可同时实现N型和P型导电特性,从晶体管级扩展了传统晶体管功能,为此能以更少数量的晶体管实现更加复杂的电路结构,有望提高集成电路设计的灵活性与复杂程度。然而,作为隧穿型器件,RFET依然面临着低开态电流的局限。为此,本文开展了基于铁电材料负电容效应的可重构场效应晶体管(NC-RFET)研究,包括常规对称结构RFET以及新型非对称结构RFET,依靠负电容的“电压放大”效应能够有效提高RFET饱和电流、降低器件亚阈值摆幅、提高器件的开关比。此外还深入探究了深纳米工艺下随机工艺波动对NCRFET的影响及机制,发现负电容效应对于线边缘粗糙度对器件性能波动产生的影响有一定的抑制作用。本文的主要研究工作与成果如下:(1)基于铁电材料的负电容效应,提出了一种负电容可重构场效应晶体管(NC-RFET)。采用TCAD仿真与Landau-Khalanikov方程后处理相结合的方式对NC-RFET的转移特性、亚阈值摆幅、沟道表面势以及栅电容进行分析,相比于传统RFET结构,其最小亚阈值摆幅降低了46%～47.8%,阈值电压降低了8.4%～8.5%。研究了铁电材料与厚度、栅氧介电层以及其他尺寸对NC-RFET电学性能的影响:器件性能随着铁电层增厚而提升,当铁电层过厚时,器件转移特性出现滞回曲线;双层侧墙结构器件相比于其他侧墙结构,其开态电流提升了10.3%。(2)提出了一种非对称结构的负电容RFET(NC-AS-RFET),研究了负电容效应对于三种类型隧穿的影响,以及器件结构对于器件电学特性的影响。负电容效应对于垂直沟道方向的隧穿有明显增强作用。相比于对称型NC-RFET,NCAS-RFET其平均亚阈值摆幅降低了约21.3%～35%,开态电流增大了6.73～5.39倍,负电容有效区也得到了明显扩宽。当非对称特征结构嵌入式源端的直径与长度增大时,器件的开态电流增大,阈值电压降低但牺牲了部分器件寄生电容。结合尺寸分析结果,本文提出了一组优化后NC-AS-RFET结构参数,相比于优化前NCAS-RFET,其电学特性得到了明显提升(开态电流提升了1.26～1.56倍,亚阈值摆幅降低了12.6%～14.3%)。(3)基于NC-RFET这样的纳米节点器件,研究了工艺随机波动对其器件电学特性波动性的影响,从金属功函数波动、线边缘粗糙度以及栅边缘粗糙度三方面对器件阈值电压、亚阈值摆幅以及泄漏电流的波动性进行分析。负电容效应对于线边缘粗糙度对器件电学特性的影响有着一定的抑制作用,特别是对于亚阈值摆幅以及泄露电流。随着特征函数?增大,器件电学特性波动性增大。综上所述,本文结合铁电材料的负电容效应,提出了两种结构的负电容RFET并对其电学性能以及工艺波动性影响进行了深入的分析,其研究结果对未来RFET以及负电容器件的优化以及电路应用提供了重要的参考。

关键词：可重构场效应晶体管负电容效应工艺随机波动

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双肖特基势垒型异或非可重构场效应晶体管研究

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微处理机 2022年第4期43卷 18-21页

作者：王妍靳晓诗沈阳工业大学信息科学与工程学院沈阳110870

为在现有RFET产品基础上寻求改进,设计提出一种高集成的双肖特基势垒型异或非可重构场效应晶体管(BSBRFET),不同于传统异或非门电路,只用单个晶体管即可实现异或非逻辑门功能。采用完全肖特基接触,屏蔽掉热电子发射电流,以带带隧穿电流... 详细信息

为在现有RFET产品基础上寻求改进,设计提出一种高集成的双肖特基势垒型异或非可重构场效应晶体管(BSBRFET),不同于传统异或非门电路,只用单个晶体管即可实现异或非逻辑门功能。采用完全肖特基接触,屏蔽掉热电子发射电流,以带带隧穿电流作为正向导通机制;引入浮动源极来存储、积累电荷。遵循BSBRFET工作原理和输出特性一致性,在实验中对其异或非功能做出验证。与传统RFET相比,此器件能实现更低的亚阈值摆幅、更小的反向偏置电流、更高的开关电流比,在能够实现NXOR逻辑功能同时,对于提高输出特性一致性也具有优势。

关键词：可重构场效应晶体管双肖特基势垒异或非带带隧穿

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一种非易失性可重构场效应晶体管研究

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微处理机 2022年第4期43卷 14-17页

作者：连丹纯刘溪沈阳工业大学信息科学与工程学院沈阳110870

在传统可重构场效应晶体管基础上进行改进,提出一种非易失性浮动可编程栅极可重构场效应晶体管。设计引入非易失性电荷存储层作为浮动程序门,通过给浮动程序门加入一定的电荷,进一步促进正向导通并同时减小反向漏电流,在正常情况下只需... 详细信息

在传统可重构场效应晶体管基础上进行改进,提出一种非易失性浮动可编程栅极可重构场效应晶体管。设计引入非易失性电荷存储层作为浮动程序门,通过给浮动程序门加入一定的电荷,进一步促进正向导通并同时减小反向漏电流,在正常情况下只需要一个独立供电的控制门即可完成可重构要求。通过对比实验,分析电荷数量对转移特性的影响,获得正常工作下最理想电荷量。与传统器件相比,新设计实现了较低的亚阈值摆幅,在减小反向漏电时不会影响正向电流的大小,在实际应用中具有一定优势。

关键词：可重构场效应晶体管非易失性浮动程序门 MOSFET器件

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关于具有双掺杂源漏的单晶体管同或门的研究

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微处理机 2023年第4期44卷 12-14页

作者：杨敏靳晓诗沈阳工业大学信息科学与工程学院沈阳110870

为优化传统可重构场效应晶体管以改善器件的正向电流参数,提出一种双掺杂源漏可重构场效应晶体管。该器件可作为突触器件应用于二值神经网络的同或操作中。器件通过对源区和漏区进行重掺杂使其与金属源漏电极之间形成势垒更窄的欧姆接触... 详细信息

为优化传统可重构场效应晶体管以改善器件的正向电流参数,提出一种双掺杂源漏可重构场效应晶体管。该器件可作为突触器件应用于二值神经网络的同或操作中。器件通过对源区和漏区进行重掺杂使其与金属源漏电极之间形成势垒更窄的欧姆接触,从而使器件的正向电流得到大幅提高。通过分析器件的结构及工作原理,仿真并对比传统RFET和所提出的DDSD-RFET的转移特性曲线,结果表明双掺杂源漏的设计可以有效提高器件的正向电流,同时减少反向截止电流。

关键词：可重构场效应晶体管双掺杂源漏同或门高集成

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