刘佳文 姚若河 刘玉荣 耿魁伟

(华南理工大学电子与信息学院, 广州 510641)

1 引 言

目前, 金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)的尺寸从微米级进入纳米级, 为了提高沟道的可控性, 通过在围栅MOSFET器件引入内部控制栅形成的圆柱形双栅(cylindrical surrounding double-gate, CSDG) MOSFET结构, 得到了广泛的关注.与双栅[1]、三栅[2]及围栅MOSFET[3]器件相比, CSDG MOSFET提供了更好的栅控性能和输出特性[4-9].

Fahad和Hussain[10]表明CSDG MOSFET能够在产生更大的驱动电流同时拥有高的面积效率,并实现硅纳米线场效应晶体管所需的低泄漏电流(18.5 nA)特性.Verma等[11]仿真对比了CSDG和圆柱形单栅(cylindrical surrounding gate, CSG)MOSFET的器件特性, 结果表明CSDG MOSFET比CSG MOSFET有更好的漏源电流、跨导等特性.Bairagya等[12]利用Pao-Sah二重积分方法建立了CSDG MOSFET器件的电流解析模型, 得出CSDG MOSFET比传统的单栅MOSFET器件的反型层电荷浓度更高, 具有更好的栅控性能和更大的输出电流.Maduagwu等[13]研究了器件的硅体厚度、栅氧化层厚度和沟道长度等对CSDG MOSFET的阈值电压和亚阈值摆幅的影响, 表明阈值电压随沟道长度的减小而减小, 亚阈值摆幅随硅体厚度、栅氧化层厚度的减小而减小, 随沟道长度的减小而增大.

本文通过求解圆柱坐标系下的二维泊松方程,建立CSDG MOSFET的电势模型, 并由Pao-Sah积分, 建立CSDG MOSFET的漏源电流模型, 进一步分析讨论CSDG MOSFET器件的表面势、表面电场、漏源电流、跨导和阈值电压等特性.

2 物理模型

图1为CSDG MOSFET沿沟道方向的剖面示意图, 图2为CSDG MOSFET圆形横截面示意图.当不考虑CSDG MOSFET的内栅时, 它实际上就是一个围栅场效应晶体管.给外栅加上偏置电压时, 沿着环绕栅的界面生成二维载流……