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編輯推薦： 本书入选清华大学优秀博士学位论文丛书，内容为半导体器件领域*前沿的内容，通过结合数值仿真、解析建模和实验制备等多种研究方法为读者深入地介绍了负电容场效应晶体管的工作原理与优化设计。 內容簡介： 本书采用数值仿真、解析建模和实验制备的手段对集成电路亚10nm阶段新型低功耗半导体器件-负电容场效应晶体管（NC-FETs）的工作原理和设计优化进行了研究和探索。在负电容场效应晶体管的解析模型及其特性优化、新型负电容场效应晶体管器件结构的提出、以及基于二维材料的负电容场效应晶体管的制备等方面，本书做出了一系列原创性的研究工作，可为从事新型半导体器件设计的技术人员提供参考。 關於作者： 蒋春生博士分别于2013年、2018年在西安电子科技大学和清华大学获得学士和博士学位。2016年9月到2017年9月，赴美国普渡大学联合培养一年。蒋博士现担任中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心助理研究员。他专注于新型低功耗半导体器件的数值仿真、解析建模、工艺制备和可靠性研究。蒋春生博士在国际著名期刊和国际会议、共发表SCI和EI论文30篇，同时也是书籍《Nano Devices and Sensors》的主要作者之一。 目錄： 第1章引言 1.1平面MOSFET器件等比例缩小规则及其功耗挑战 1.2超陡亚阈值斜率器件概述 1.3负电容晶体管的研究进展 1.3.1负电容效应的概念及其简单的实验验证 1.3.2铁电负电容晶体管 1.3.3压电栅势垒负电容晶体管 1.3.4沟道嵌入型铁电负电容晶体管 1.3.5二维沟道材料负电容晶体管 1.4负电容晶体管在实验制备、数值仿真和解析建模中面临的 挑战 1.5本书的研究内容与结构 1.6本章小结 第2章双栅负电容晶体管解析模型研究 2.1铁电NCFET器件的通用数值仿真方法 2.2MFIS结构长沟道双栅NCFET器件电流解析模型 2.2.1MFIS结构双栅NCFET器件沟道表面势 的推导 2.2.2MFIS结构双栅NCFET器件沟道电流表达 式的推导 2.3解析模型验证与结果讨论 2.3.1数值求解边界约束方程 2.3.2器件工作在负电容区的判定条件 2.3.3MFIS结构双栅NCFET器件的转移特性 2.3.4MFIS结构双栅NCFET器件的输出特性 2.4本章小结 第3章围栅负电容晶体管解析模型研究 3.1MFIS结构长沟道GAA NCFET器件电流解析模型 3.1.1MFIS结构GAA NCFET器件沟道表面势的 推导 3.1.2MFIS结构GAA NCFET器件沟道电流表达式 的推导 3.2MFIS结构GAA NCFET器件的设计准则 3.3MFIS结构GAA NCFET器件的设计优化 3.3.1铁电材料层厚度对GAA NCFET器件电学 特性的影响 3.3.2沟道半径对GAA NCFET器件电学特性的影响 3.3.3绝缘缓冲层介电常数对GAA NCFET器件电学 特性的影响 3.3.4绝缘缓冲层厚度对GAA NCFET器件电学特性 的影响 3.4MFIS结构GAA NCFET器件的转移特性曲线 3.5MFIS结构GAA NCFET器件的输出特性曲线 3.6本章小结 第4章负电容无结型场效应晶体管特性研究 4.1传统无结型晶体管的工作原理及其面临的挑战 4.2双栅NCJLT器件数值仿真研究 4.2.1DG NCJLT器件结构及其数值仿真方法 4.2.2DG NCJLT器件的转移特性 4.2.3DG NCJLT器件工作原理 4.2.4DG NCJLT器件的亚阈值摆幅 4.3双栅NCJLT器件解析模型研究 4.3.1Baseline DGJLT器件电流电压模型 4.3.2Baseline DGJLT器件本征端电荷模型 4.3.3Baseline DGJLT短沟道效应模型 4.3.4Baseline DGJLT有效沟道长度模型 4.3.5Baseline DGJLT基本电路模块仿真 4.3.6DG NCJLT器件电流电压模型 4.3.7短沟道DG NCJLT器件的转移特性 4.3.8寄生电容对短沟道DG NCJLT器件电学性能 的影响 4.3.9温度对短沟道DG NCJLT器件电学性能的影响 4.4本章小结 第5章负电容隧穿场效应晶体管特性研究 5.1传统隧穿场效应晶体管工作原理及其缺点 5.2GAANCTFET器件的数值仿真方法 5.3短沟道GAANCTFET器件解析建模及模型验证 5.4短沟道GAANCTFET器件的工作原理 5.4.1短沟道GAANCTFET器件的电学特性 5.4.2最短隧穿距离与最大带带隧穿产生率 5.4.3GAANCTFET器件设计准则 5.4.4不同铁电材料对GAANCTFET器件电学特性 的影响 5.5本章小结 第6章二维沟道材料背栅NCFET器件特性研究 6.1背栅2D MoS2 NCFET器件的制备 6.1.1器件结构与工艺流程 6.1.2Hf0.5Zr0.5O2介质铁电性的验证与测量 6.1.3单层和多层MoS2表征 6.1.4负DIBL效应与负微分电阻效应 6.1.5退火温度对器件性能的影响 6.1.6背栅2D MoS2 NCFET器件的低温性能 6.2背栅2D NCFET器件的解析建模 6.2.1Baseline 2D FET器件电流电压模型 6.2.2Baseline 2D FET器件端电荷模型 6.2.3背栅2D NCFET器件的电流电压模型 6.2.4背栅2D MoS2 NCFET的电学特性与解析模型 验证 6.2.5背栅2D MoS2 NCFET的设计准则与设计空间 6.2.6背栅2D MoS2 NCFET的动态特性与本征 工作频率限制 6.2.7寄生电容对背栅2D MoS2 NCFET静态及 动态特性的影响 6.3本章小结 第7章总结与展望 7.1主要研究及成果 7.2创新点 7.3展望 参考文献 在学期间发表的学术论文与研究成果 致谢 內容試閱： 导师序言 集成电路芯片是所有电子系统的核心部件，集成电路技术更是现代信息技术发展的基石。自从20世纪50年代末美国德州仪器公司年轻的电子工程师杰克基尔比发明了第一块仅仅包含5个元件的集成电路以来，集成电路的典型产品（以高性能CPU和大容量存储芯片为例）一直以集成度差不多每两年翻一番的速度高速增长了半个多世纪，对这一世纪奇观最令人惊奇的预测和描述便是人们耳熟能详的摩尔定律。集成密度持续提高的背后是金属氧化物半导体（metaloxidesemiconductor，MOS）晶体管等比例缩小准则的提出和集成电路工艺制造能力的不断突破，由此推动了集成电路中单个晶体管尺寸的不断缩小，而晶体管特征尺寸的不断缩小，又要求集成电路在增大集成密度的同时必须同步降低其工作电压，以确保相关器件和电路长期工作的可靠性。另一方面，随着集成电路产品集成度的不断提高，芯片功耗的持续增加成为限制集成电路技术发展的另一大难题，为了降低芯片的功耗，最行之有效的办法就是降低其工作电压。而当晶体管的特征尺寸进一步缩小到纳米尺度时，继续降低芯片的工作电压也遇到了一个致命的瓶颈，即随着电源电压的降低，如果维持MOS晶体管的阈值电压不变，则晶体管的驱动电流将不断降低，因此晶体管的性能和开关电流比就会不断退化； 而如果在降低电源电压的同时也降低晶体管的阈值电压，则晶体管的关态泄漏电流就会按照指数形式快速增加，这更会导致晶体管开关电流比的灾难性退化和电路功耗的急剧增大。由此可见，在器件特征尺寸缩小到纳米尺度之后，晶体管和集成电路的发展陷入了一个两难的困境，究其原因，这是因为在传统的 金属氧化物半导体场效应晶体管 （metaloxidesemiconductor field effect transistor，MOSFET）中，导电载流子随能量的分布必须遵循玻耳兹曼统计分布规律，晶体管亚阈区的电流电压特性则受限于能够越过器件源端势垒的载流子的热扩散行为，由此导致室温条件下传统 MOSFET的亚阈区摆幅（subthreshold swing）不可能低于60mVdec，此即所谓的玻耳兹曼热力学极限。 为了摆脱上述玻耳兹曼极限的制约，进入21世纪以来，与集成电路相关的半导体器件物理研究工作主要集中在探寻各类能够突破上述玻耳兹曼极限、实现具有超陡亚阈区摆幅的新原理器件上，这方面的研究探索目前主要涵盖以下几个方向： 一是改变传统MOS晶体管中基于漂移扩散原理的载流子注入和输运机制，该领域最典型的研究工作就是隧 穿场效应晶体管（tunneling field effect transistor，TFET）的提出和实验验证； 二是利用某些特殊介质材料的极化特性来改变传统MOS器件中栅源电压对表面势的控制和耦合关系，实现表面势对栅源电压的放大作用，这方面最具代表性的研究工作就是负电容场效应晶体管（negative capacitance field effect transistor，NCFET）的提出和实现； 三是利用某些特殊半导体材料所具有的特殊载流子分布（例如石墨烯材料所具有的狄拉克锥结构）来构造MOS晶体管的源极，这种类型的晶体管有时也称为狄拉克源场效应晶体管（diracsource field effect transistor，DSFET）； 四是利用微机电系统 （microelectromechanical system，MEMS）和纳机电系 统（nanoelectromechanical system，NEMS）实现的具有理想开关特性的微纳尺度机械开关。蒋春生 的博士学位论文正是围绕负电容场效应晶体管的电流电压特性及其解析模型开展了一系列相关的研究工作， 其选题具有重要的理论意义和实用价值。 本书综合运用数值仿真、解析建模和实验制备等多种研究方法，对几种不同类型负电容场效应晶体管的工作原理和设计优化进行了深入的探究和讨论，取得的创新性成果主要包括： （1）将漂移扩散输运方程与铁电栅介质的朗道相变理论相结合，提出并建立了双栅及围栅负电容场效应晶体管基于可动载流子的IV特性解析模型，给出了铁电栅介质负电容场效应晶体管的通用设计准则； （2）提出了一种新型的负电容无结型场效应晶体管结构，研究结果表明，该器件具有亚阈值摆幅低、电流开关比高等优点，建立了适用于短沟道负电容无结型场效应晶体管的集约模型； （3）基于二维MoS2沟道材料和 金属铁电绝缘体半导体（metalferroelectricinsulatorsemiconductor,MFIS）、 金属铁电金属绝缘体半导体 （metalferroelectricmetalinsulatorsemiconductor，MFMIS）栅叠层结构，研制出了两种性能良好的背栅负电容场效应晶体管，测试结果表明室温下器件的亚阈值摆幅均小于60mVdec，突破了传统 MOSFET的玻耳兹曼热力学限制； （4）基于Lambert函数方法，提出了一种适用于背栅结构二维沟道材料的负电容场效应晶体管通用解析模型，诠释了实验中观察到的漏致势垒提升效应和负微分电阻效应。 蒋春生的数学功底扎实、器件物理概念清晰，研究工作认真、细致，讨论分析全面、深入，归纳总结完整、准确，表述清楚，文笔流畅，作者在本书的最后还指出了负电容场效应晶体管实用化之前存在的主要技术问题及可能的解决方案，并初步展望了未来的发展方向。特别令人高兴的是该博士学位论文已经入选2018年度清华大学优秀博士学位论文和中国电子学会优秀博士学位论文，现在得知清华大学出版社要正式出版蒋春生 的博士学位论文，作为他的指导教师，我谨向蒋春生表示祝贺，同时也向微电子器件与集成电路领域的广大科技工作者郑重地推荐这本目前看来还略显稚嫩的学术专著。 许军 清华大学微电子研究所 2019年8月8日

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