【摘 要】
:
基于CMOS工艺的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)已成为当今信息技术持续发展的基石。MOSFET特征尺寸的等比缩小是延续摩尔定律、持续提升芯片性能的关键。然而,由于玻尔兹曼极限的限制,器件的功耗无法随着器件的微缩显著下降,这限制了芯片性能的进一步提升。因此,迫切需要开发一种新型器件,以打破玻尔兹曼限制的瓶颈,大幅降低器件的亚阈值摆幅(SS),并最终实现功耗的大幅降低。负电容场效应晶体管
【基金项目】
:
国家自然科学基金项目“高稳定低功耗陡峭斜率免回滞MoS2负电容场效应晶体管研究”(批准号:61974048);
论文部分内容阅读
基于CMOS工艺的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)已成为当今信息技术持续发展的基石。MOSFET特征尺寸的等比缩小是延续摩尔定律、持续提升芯片性能的关键。然而,由于玻尔兹曼极限的限制,器件的功耗无法随着器件的微缩显著下降,这限制了芯片性能的进一步提升。因此,迫切需要开发一种新型器件,以打破玻尔兹曼限制的瓶颈,大幅降低器件的亚阈值摆幅(SS),并最终实现功耗的大幅降低。负电容场效应晶体管(NCFET)由于在不改变沟道输运机制的前提下能有效地降低晶体管的SS,因而为上述问题提供了一种极具前景的解决方案。且由于硅基材料已被微缩到其物理极限,引入如二硫化钼(MoS2)等二维材料可以在优化器件性能的同时进一步微缩器件尺寸。因此,本文以MoS2为沟道、铝(Al)掺杂的铪基氧化物(Hf1-xAlxOy,HfAlO)为铁电薄膜制备了NCFET,并进一步探究了工艺和结构等参数对器件电学性能的影响。主要工作包括:首先,通过材料表征和电测量证实了HfAlO薄膜的铁电性,且研究了HfAlO中Al含量对Al2O3/HfAlO堆栈薄膜的铁电性及相应晶体管电学性能的影响,在最佳Al含量基础上,进一步研究了获得最佳堆栈薄膜铁电性及器件电性能所需的合适的薄膜退火温度。在上述工作基础上,研究了HfAlO薄膜厚度及Al2O3匹配层厚度对堆栈栅结构铁电性及器件电性能的影响,确定出合理的HfAlO/Al2O3结构参数为10 nm/2 nm,所制备的MoS2 NCFET在降低SS(37.4 m V/dec)同时,取得了1.22×10~7的高开关比和几乎可忽略的36.2 m V的总回滞。最后,本文制备了单层HfAlO作为铁电栅介质的背栅MoS2NCFET,以简化栅介质制备工艺并有利于器件的等比缩小。通过对薄膜Al含量和退火温度的优化,获得43.8m V/dec的SS、2.50×10~7的开关比和51.1 m V的总回滞;进一步地,采用NH3等离子体处理HfAlO薄膜表面,使界面质量得以改善,并增强了薄膜的铁电性,获得了优异的电学性能:SS降低到32.5 m V/dec,开关比提高至3.79×10~7,回滞进一步减小至28.7 m V。
其他文献
忆阻器具有低功耗、速度快、集成密度高、存算一体性等优点,在非易失性存储器与神经突触器件方面具有广阔的应用前景。SrFeOx(SFO)材料通过调控氧的含量能够获得具有绝缘相的SrFeO2.5钙铁石结构(Brownmillerite,BM)和金属相的SrFeO3钙钛矿(Perovskite,PV)结构,两种结构可在外加电压的刺激下互相转化发生可逆的拓扑相变。基于SFO材料的忆阻器件具有阻变机理清晰可控
忆阻器因其存算一体特性,可用于实现非易失逻辑、模拟计算和类脑计算等新计算范式,被视为后摩尔时代突破冯·诺依曼计算架构的基础器件。自整流忆阻器因其能够有效抑制阵列中漏径电流问题,实现高密度三维堆叠,而备受学界关注。近年来,已有工作探索了自整流忆阻器在模拟计算中的应用,然而,利用器件稳定二值阻变性能的非易失逻辑技术仍是空白。基于自整流忆阻器,发展高效的非易失逻辑方法,将为推动该类器件在存算一体领域的应
胶体量子点(Colloidal Quantum Dots,CQDs)是具有宽带吸收、窄带发射且峰位连续可调等发光性质的的无机半导体纳米晶,丙二醇甲醚醋酸酯(Propylene Glycol Methyl Ether Acetate,PGMEA)是一种在工业上被广泛应用的绿色溶剂,在PGMEA溶剂中稳定分散且高效发光的量子点在光电器件领域有很大的应用潜力。然而高荧光量子产率(Photolumines
类脑神经形态器件与脉冲神经网络是近年来的研究热点。本文研究基于石墨烯/氮化硼叠层二维材料的类铁电突触器件以及相应的神经网络。主要研究内容如下:制备石墨烯/氮化硼叠层二维材料晶体管,并系统研究不同二维材料沟道刻蚀工艺对刻蚀掩膜的影响和不同顶栅材料对氮化硼介质的影响。测试石墨烯/氮化硼叠层二维材料晶体管的类铁电性。使用半导体分析仪测试该叠层晶体管的转移特性曲线发现在正电压区域具有逆时针回滞特性。随后系
物体的红外辐射特征是探测、识别、追踪的有效信号,对目标红外辐射的调控越来越成为军事反侦察领域的关注焦点;动态调节目标的红外辐射特性使目标与背景融合,是红外隐身技术的重要发展方向。本文聚焦于红外发射率可调材料研究,采用折射率可调谐的相变材料GST(Ge2Sb2Te5),构建GST/ZnS一维光子晶体结构,开展大气窗口单波段和双波段红外发射率可调薄膜研究。主要研究及结论如下:构建基于GST的一维光子晶
传统计算机架构由于存储计算相分离而面临着显著的延时与功耗问题。相比之下,基于人工突触的神经形态系统有望通过借鉴人脑结构以实现高效信息处理。其中,联想学习作为描述动物学习能力的重要机制,其相应的电路设计对构建神经形态系统具有重要的意义。因此,迫切地需要设计与仿真简单通用且功能完善的联想学习电路。联想学习中以巴甫洛夫进行的一级与二级条件反射实验最为基础。然而目前许多使用忆阻器网络来实现巴甫洛夫联想学习
随着Si基CMOS技术逐渐趋近其物理极限,Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料由于较高的载流子迁移率而受到研究人员的青睐,采用GaAs替代Si衬底可以制备出低功耗、超高速的场效应晶体管,同时,选取k值较高的栅介质材料对于器件尺寸等比缩小、降低栅极漏电也十分关键。然而GaAs表面生成的自然氧化层以及与高k介质不佳的接触界面会严重损害器件性能,因此有必要对其进行一定处理来改善GaAs MOS器件的界面特性。本文的
随着大数据时代的到来,爆炸式增长的数据对计算机的信息处理能力提出了越来越高的要求。由于频繁的数据搬运而无法突破延时和功耗的限制,传统的冯·诺依曼计算架构终将无法顺应时代的需求。因此,迫切地需要提出一种新型的计算架构以解决“存储墙”问题。以缩短数据搬移路径、减少延时和降低功耗为目标的近存计算和存内计算有望成为下一代计算架构的有力候选。忆阻器作为一种新型半导体存储器件,具有器件尺寸小、读写速度快、功耗
舰船在海水中航行时,船壳会发生腐蚀,采用保护技术可减少腐蚀,但因腐蚀产生的电流会流经海水,传动轴等介质返回船体,构成完整回路。同时由于传动轴的转动,会激发出低频的电磁信号并传播到很远的距离,给舰船的隐身安全带来隐患。精确检测舰船传动轴电流,对研究舰船的非声隐身特性等具有重要意义。轴电流幅值范围大,具有复杂的交直流成分,检测环境复杂,且传动轴的尺寸大,现有传感器不能有效的解决这个问题。本文目的是研究
石墨烯的零带隙特性限制了其在逻辑器件中的应用,与其结构类似、具有优良性质的硫族化合物成为了很好的代替者。在硫族化合物家族中,硫化钼(MoS2)和硫化铅(PbS)由于带隙可调、易于制备和光电性能优异等特性,在光电探测领域具有广泛的应用。本文采用脉冲准分子激光诱导合成新方法制备MoS2薄膜,具有快速制备、选区制备、可应用于柔性衬底和合成掺杂同步完成等优势,对其生长机理进行了探索。同时本文利用磁控溅射制