鐵電場效應管基本結構及性能介紹-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2021-01-14
鐵電場效應管也就是鐵電介質柵極場效應晶體管(MFSFET,Metal-Ferroelectric-Semiconductor FET):這是在MOSFET的基礎上,把柵極SiO2絕緣材料更換為高介電常數的鐵電材料即得。
因為MOSFET的飽和電流與柵極絕緣體材料的介電常數eox有正比例關系:Id sat = (1/2) (W/L)(εeox / dox ) (VGS-VT) 2。因此,增大柵極絕緣體材料的介電常數,即可增強晶體管的驅動能力,提高開關速度,并且還可以帶來工藝上的其它好處。
在MOSFET中常用的柵極絕緣材料的介電常數值為:SiO2 (3.8),Si3N4 (6.4),Al2O3 (>7.5)。柵絕緣層是50~60nm SiO2 + Si3N4的MOS器件,稱為MNOFET;柵絕緣層是50~60nm SiO2 + Al2O3的MOS器件,稱為MAOFET。
FFET單元基本結構為MFS-FET結構,即用鐵電薄膜取代MOS-FET中的柵介質層、利用鐵電薄膜的極化狀態調制半導體表面狀態,從而調制晶體管源、漏極間的導通狀態,區別邏輯態“0” 和“1",以達到存儲信息的目的,如圖所示
當大于矯頑場的外加正向電壓加在柵極上,鐵電薄膜產生正極化。電場指向半導體表面,吸引負的補償電荷到半導體表面。對干于n型硅襯底,表面呈積累態、FET器件處于關斷狀態。
當大于矯頑場的外加負向電壓加在柵極上,鐵電薄膜產生負的級化,吸引正的補償電荷到半導體表面,n型硅表面呈耗盡直至反型,此時溝道導通。
如果源,漏加上偏壓,可產生電流。因此,對應于鐵電薄膜的正、負極化態,硅表面分別呈積累、反型兩種狀態。當源、漏施加電壓時,FET呈關斷和導通兩態,鐵電薄膜的兩個極化狀態是同樣穩定的。
對應的半導體表面穩定,這時FFET的通、斷就可實現二進制“0”和“1”的存儲,FFET的這種存儲機制稱為極化型存儲。
兩種不同的存儲機制對應兩種不同的F/S界面狀態,其C-V特性是不同的:極化型存儲對應的MFS結構p型襯底的C-V曲線回滯方向為順時針,n型襯底的則為逆時針,而注入型存儲對應的C-V曲線回滯方向則完全相反。
用高K材料作為柵絕緣層的場效應晶體管即稱為MFSFET。
至于對高介電常數柵極絕緣材料的要求,主要是:介電常數高,并與Si和SiO2的黏附性能好。能夠很好滿足這些要求的高介電常數材料(也稱為高k材料)。
MFSFET的柵極結構,基本上是MFS(金屬——高K材料——半導體)型式,但性能不夠穩定;MFIS型式比較好,其中的薄I層(SiO2等絕緣膜)能防止原子的擴散;
MFMIS型式似乎更好,其中在I層與高K材料之間又增加了一層金屬膜。MFSFET研制中需要解決的主要問題是減小柵極絕緣膜漏電,以延長信號的保存時間。
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