CN102832256A - 隧穿场效应晶体管 - Google Patents

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本发明涉及场效应晶体管技术领域，公开了一种隧穿场效应晶体管，包括源区、沟道区和漏区，所述源区和漏区分别形成于所述沟道区的两侧，所述源区与沟道区的接触区域为非本征材料，且不同于源区的掺杂类型。本发明通过在源区和沟道区接触处进行不同于源区的掺杂，使器件在开态时具有较窄的源端到沟道的隧穿层厚度，从而提高开态电流。由于该方法并未改变关态时源端到漏端的隧穿层厚度，所以可以保持较低的关态电流，因此，利用该方法可以得到更高的开关比和较低的亚阈值斜率，从而可以得到较好的器件性能。

Description

隧穿场效应晶体管
技术领域
本发明涉及场效应晶体管技术领域，特别是涉及一种隧穿场效应晶体管。
背景技术
隧穿场效应晶体管以其低功耗、低亚阈值斜率等优点引起了广泛的关注。遂穿场效应晶体管不同于传统的场效应管，利用隧穿效应进行电荷的输运。隧穿场效应晶体管可以工作在较低的驱动电压，同时亚阈值斜率低于传统的场效应晶体管的极限60meV/decade[1][2]。最近，碳基材料由于其独特的性质被用做隧穿场效应晶体管的沟道材料。理论研究发现由碳纳米管和石墨烯纳米带构成的隧穿场效应晶体管的亚阈值斜率可以低于60mV/Dec[3]-[6]。在石墨烯纳米带隧穿场效应晶体管中，各种方法和器件结构被提出用于改进其器件特性[7]-[11]。
传统的隧穿场效应晶体管在源端、漏端分别形成P区(空穴掺杂)和N区(电子掺杂)，中间沟道使用本征材料。在驱动电压下空穴可以从P区隧穿到N区，形成隧穿电流。隧穿场效应晶体管具有小的漏电流和较小的亚阈值斜率等优点，但由于其利用隧穿效应产生电流导致其开态电流比金属绝缘层场效应晶体管要小。
上面提到的参考文献如下：
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发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何改进隧穿场效应晶体管的器件性能。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种隧穿场效应晶体管，包括源区、沟道区和漏区，所述源区和漏区分别形成于所述沟道区的两侧，所述源区与沟道区的接触区域为非本征材料，且不同于源区的掺杂类型。
优选地，所述源区采用P型掺杂，所述源区与沟道区的接触区域采用N型掺杂，沟道区采用本征材料，漏区采用N型掺杂。
优选地，所述源区采用N型掺杂，所述源区与沟道区的接触区域采用P型掺杂，沟道区采用本征材料，漏区采用P型掺杂。
优选地，所述隧穿场效应晶体管还包括上绝缘介质层和下绝缘介质层，所述源区、沟道区和漏区位于同一层，且位于上绝缘介质层和下绝缘介质层之间。
优选地，所述隧穿场效应晶体管还包括上栅极和下栅极，所述上栅极位于上绝缘介质层的上层，所述下栅极位于下绝缘介质层的下层。
优选地，将所述下栅极和下绝缘介质层组成的结构替换为衬底。
优选地，所述沟道区为二维材料。
优选地，所述上栅极和下栅极为导电材料。
进一步优选地，所述上栅极和下栅极为金属材料。
(三)有益效果
上述技术方案具有如下优点：通过在源区和沟道区接触处进行不同于源区的掺杂，使器件在开态时具有较窄的源端到沟道的隧穿层厚度，从而提高开态电流。由于该方法并未改变关态时源端到漏端的隧穿层厚度，所以可以保持较低的关态电流，因此，利用该方法可以得到更高的开关比和较低的亚阈值斜率，从而可以得到较好的器件性能。
附图说明
图1是本发明实施例一的隧穿场效应晶体管的结构示意图；
图2是本发明实施例二的隧穿场效应晶体管的结构示意图；
图3a是PIN结构能带图；图3b是PNIN结构能带图；
图4是本发明实施例三的单栅结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种隧穿场效应晶体管，包括源区、沟道区和漏区，所述源区和漏区分别形成于所述沟道区的两侧，所述源区与沟道区的接触区域采用为非本征材料，沟道区采用本征材料，且不同于源区的掺杂类型。
本实施例中，源区采用P型掺杂，所述源区与沟道区的接触区域采用N型掺杂，漏区采用N型掺杂，沟道区采用二维材料，例如石墨烯、二硫化钼(MoS2)、硅烯(Silicene)、锗烯(Germanene)、氮化硼(BN)等，优选为石墨烯。
本实施例中，所述隧穿场效应晶体管还包括上绝缘介质层和下绝缘介质层，所述源区、沟道区和漏区位于同一层，且位于上绝缘介质层和下绝缘介质层之间。
本实施例中，所述隧穿场效应晶体管还包括上栅极和下栅极，所述上栅极位于上绝缘介质层的上层，所述下栅极位于下绝缘介质层的下层。上、下绝缘介质层可以采用介电常数较高的氧化物，包括SiO2、HfO2等氧化物。
本实施例中，所述上栅极和下栅极为导电材料，可以为金属，如Pt、W、Ti、Ta、Cu等。
可以看出，相对于传统的隧穿场效应晶体管采用的P-I-N结的结构，本实施例是将源端靠近沟道的部分进行电子掺杂即N型掺杂，最后形成P-N-I-N结，从而形成PNIN型隧穿场效应晶体管。
实施例二
本实施例的结构如图2所示，本实施例与实施例一的不同在于，掺杂方式不同，进而使其利用不同的载流子进行输运，具体来说，本实施例中，源区采用N型掺杂，所述源区与沟道区的接触区域采用P型掺杂，漏区采用P型掺杂。
可以看出，相对于传统的隧穿场效应晶体管采用的N-I-P结的结构，本实施例是将源端靠近沟道的部分进行电子掺杂即P型掺杂，最后形成N-P-I-P结，从而形成NPIP型隧穿场效应晶体管。
实施例三
本实施例的结构如图4所示，本实施例与实施例一的不同在于，将实施例一中的下栅极和下绝缘介质层所组成的二层结构替换为衬底。
由以上实施例可以看出，由于在源区与沟道区的接触处掺杂可以在这一部分形成类似PN结的结构，所以在掺杂(例如N型)的区域能量会向低能量方向移动，进而掺杂(例如N型)的区域的导带底就会低于沟道的导带底，相应地，在开态时，隧穿层厚度比原来要小，容易隧穿(如图3a和图3b所示)，因此，本发明通过在源区和沟道区接触处进行不同于源区的掺杂，使器件在开态时具有较窄的源端到沟道的隧穿层厚度，从而提高开态电流。由于该方法并未改变关态时源端到漏端的隧穿层厚度，所以可以保持较低的关态电流。而由于开态电流增大，漏电流会减小，进而亚阈值斜率会降低，因此利用该方法可以得到更高的开关比和较低的亚阈值斜率，从而可以得到较好的器件性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种隧穿场效应晶体管，其特征在于，包括源区、沟道区和漏区，所述源区和漏区分别形成于所述沟道区的两侧，所述源区与沟道区的接触区域为非本征材料，且不同于源区的掺杂类型。
2.如权利要求1所述的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述源区采用P型掺杂，所述源区与沟道区的接触区域采用N型掺杂，沟道区采用本征材料，漏区采用N型掺杂。
3.如权利要求1所述的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述源区采用N型掺杂，所述源区与沟道区的接触区域采用P型掺杂，沟道区采用本征材料，漏区采用P型掺杂。
4.如权利要求1所述的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述隧穿场效应晶体管还包括上绝缘介质层和下绝缘介质层，所述源区、沟道区和漏区位于同一层，且位于上绝缘介质层和下绝缘介质层之间。
5.如权利要求4所述的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述隧穿场效应晶体管还包括上栅极和下栅极，所述上栅极位于上绝缘介质层的上层，所述下栅极位于下绝缘介质层的下层。
6.如权利要求5所述的隧穿场效应晶体管，其特征在于，将所述下栅极和下绝缘介质层组成的结构替换为衬底。
7.如权利要求1所述的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述沟道区为二维材料。
8.如权利要求1~7中任一项所述的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述上栅极和下栅极为导电材料。
9.如权利要求8所述的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述上栅极和下栅极为金属材料。
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