铁电场效应晶体管
铁电介质栅极场效应晶体管
‌铁电场效应晶体管(FeFET)‌是一种基于铁电材料的新型晶体管技术,它在传统金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的基础上进行了改进。
材料简介
因为MOSFET的饱和电流与栅极绝缘体材料的介电常数eox有正比例关系:Id sat =(1/2)(W/L)(εeox / dox )(VGS-VT)2。因此,增大栅极绝缘体材料的介电常数,即可增强晶体管的驱动能力,提高开关速度,并且还可以带来工艺上的其它好处。
在MOSFET中常用的栅极绝缘材料的介电常数值为:SiO2(3.8),Si3N4(6.4),Al2O3(>7.5)。栅绝缘层是50~60nm SiO2 + Si3N4的MOS器件,称为MNOFET;栅绝缘层是50~60nm SiO2 + Al2O3的MOS器件,称为MAOFET。
材料性能
提高栅绝缘层的介电常数,可以增大器件的电流,增强器件的驱动能力,使工作速度提高,得以实现超高速集成电路。同时,若采用高介电常数的栅绝缘膜,则也可以适当增加绝缘膜的厚度,以利于改善栅介质薄膜的均匀性。因此,采用高K材料来制作栅绝缘层,可以大大提高绝缘栅场效
应晶体管(MISFET)的性能。
用高K材料作为栅绝缘层的场效应晶体管即称为MFSFET。至于对高介电常数栅极绝缘材料的要求,主要是:介电常数高,并与Si和SiO2的黏附
性能好。能够很好满足这些要求的高介电常数材料(也称为高k材料),现在仍在探讨之中。一般,比较受到关注的高k材料,主要是10<K<100(如Ta2O5, TiO2, HfO2等)的和K>100(如PbZr1-xTixO3 [PZT],(Ba, Sr)TiO3 [BST]等)的两类介质材料。其中ZrO2、HfO2、ZrSiO4、HfSiO4等与硅之间有较好的兼容性和热稳定性(特别是硅酸化合物, HfO2在掺入Al后[成为了HfAlO]可防止400C下结晶), 但它们与Si接触的界面态密度较大
(需要增加过渡层), 而且需要采用金属栅电极(因这些高K材料易与多晶硅反应生成SiO2膜),从效果来看仍然不如SiO2,因此仍未实用化。目前作为暂时应用的较高介电常数的材料是SiOxNy和Si3N4, 这些材料也可用作为高K材料与Si、或高K材料与栅电极之间的中间过渡层材料。最近有工作指出,LAO(铝酸镧)和LAON(镧铝氧氮)这两种高K材料的性能比较优越(热力学稳定, 不易产生B和P杂质的扩散等问题,微细加工容易),可以用来制作特征尺寸<65nm的大规模集成电路。MFSFET的栅极结构,基本上是MFS(金属——高K材料——半导体)型式,但性能不够稳定;MFIS型式
比较好,其中的薄I层(SiO2等绝缘膜)能防止原子的扩散;MFMIS型式似乎更好,其中在I层与高K材料之间又增加了一层金属膜。现在MFSFET研制中需要解决的主要问题是减小栅极绝缘膜漏电,以延长信号的保存时间。
新型材料
2019年11月,深圳先进院纳米调控研究中心等研发出新型柔性铁电场效应晶体管。氧化物功能材料研究团队基于白云母衬底和外延Pb(Zr0.1Ti0.9)O3/ZnO 异质结,研发出了全无机的柔性FeFET。这种FeFET不仅保持操作电压小(±6 V)、功耗低、开关比高、保持性好等无机铁电场效应晶体管的优点,也兼具柔性耐弯折的特点,在反复弯折和高温条件下仍能保持良好的FeFET电学性能。
最新修订时间:2024-11-13 16:54
目录
概述
材料简介
材料性能
参考资料