【摘 要】
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作为新型纳米器件之一,负电容场效应晶体管（NCFET）可以提升器件性能并有效降低功耗,被认为是可用于物联网等领域的下一代超低能耗集成电路解决方案。本文针对当前不同结构的小尺寸多栅器件在其栅极添加铁电材料,产生负电容现象,讨论负电容效应引起的多栅器件电学特性的变化,并通过Synopsys的计算机辅助设计（TCAD）工具仿真验证。首先,本文阐述铁电材料产生负电容现象的机理,分析负电容效应使传统场效应晶
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作为新型纳米器件之一,负电容场效应晶体管（NCFET）可以提升器件性能并有效降低功耗,被认为是可用于物联网等领域的下一代超低能耗集成电路解决方案。本文针对当前不同结构的小尺寸多栅器件在其栅极添加铁电材料,产生负电容现象,讨论负电容效应引起的多栅器件电学特性的变化,并通过Synopsys的计算机辅助设计（TCAD）工具仿真验证。首先,本文阐述铁电材料产生负电容现象的机理,分析负电容效应使传统场效应晶体管（MOSFET）的亚阈值摆幅（SS）室温下突破理论极限值的机制,并将铁电电容与MOSFET构成基本NCFET进行建模分析。其次,将铁电材料应用于双栅器件构建双栅负电容晶体管（DG-NC-FET）,在介绍双栅器件的载流子解析模型基础上讨论DG-NC-FET在漏极电压分别为0.7V和0.05V时的转移特性,结果表明负电容效应有效降低亚阈值摆幅,提高驱动电流,并且DG-NC-FET受制造工艺中随机掺杂波动（RDF）的影响降低。再次,与传统的三栅FinFET相比,无论是N型还是P型器件,负电容FinFET（NCFinFET）能明显抑制漏致势垒降低（DIBL）效应,并且输出特性曲线显示明显的负微分电阻（NDR）现象;随着铁电层厚度增加,NC-FinFET的关态电流逐渐减小,驱动电流逐渐增大,NDR效应也逐渐明显。NC-FinFET构建的负电容反相器（NC-inv）具有更快的开关响应,且由6个NC-FinFET组成的静态随机存储器（NC-SRAM）展示了具有更高的静态噪声容限和抗干扰能力。最后,相较于相同结构参数的NC-FinFET,环栅负电容纳米片晶体管（NC-NSFET）具有更好的直流特性,并且在交流小信号分析中也观测到更高的栅极总电容、跨导以及截止频率。基于NC-NSFET的反相器的开关特性表明NC-SRAM的三种状态的静态噪声容限都有所提高。本文工作验证了当前及未来主流多栅晶体管与负电容效应结合产生的功耗降低和性能提升,为其数字电路应用提供了早期性能评估。
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