[论文解读] A Dynamically Configurable Silicon Nanowire Field Effect Transistor based on Electrically Doped Source/Drain
本文提出了一种可通过极性栅极控制的电致掺杂源/漏区实现动态可配置的硅纳米线FET，可在MOSFET和TFET工作模式之间切换。通过调节这些栅极的外部偏置，该器件在MOSFET模式下实现高达35 µA的导通电流（ION），在TFET模式下实现约24 mV/dec的陡峭亚阈值摆幅及超低关断电流（约10⁻¹⁹ A），从而实现单个器件在高性能与低功耗SoC应用中的双重功能。
In this article, we present a configurable field-effect transistor (FET), where not only polarity (n- and p-type), but the conduction mechanism of a FET can also be configured dynamically. As a result, we can have both types of devices, high-performance MOSFET and low-power TFET, for computational and power efficient system on chip (SoC) products. The calibrated 3D-TCAD simulation results validate characteristics and functionalities of the configurable FET, and showed good consistency with the static conventional MOSFET (or TFET).
研究动机与目标
- 开发一种可动态切换MOSFET与TFET导电机制的单个FET，以实现面向系统级芯片（SoC）的多功能集成。
- 通过低掺杂硅体结构消除突变结并减少随机掺杂波动（RDF）的影响，克服传统掺杂方法的局限性。
- 利用外部栅极偏置而非固定离子注入实现极性和导电机制的可重构性。
- 在单一器件架构中同时实现高性能（高ION）与低功耗（低IOFF）特性。
提出的方法
- 器件采用均匀低掺杂的超薄硅纳米线体，源/漏接触为NiSi，势垒高度为0.45 eV。
- 采用两个栅极电极：中央控制栅极（CG）用于模式切换，以及位于源/漏侧的两个侧向极性栅极（PGs），用于电致诱导n⁺或p⁺区域。
- 通过调节极性栅极偏置，动态控制载流子类型与导电机制：在两个PG上均施加+1.2 V时，形成n⁺-本征-n⁺结构（MOSFET模式）；在对称偏置下（如+1.2 V与-1.2 V），形成n⁺-本征-p⁺结构（TFET模式）。
- 采用ATLAS中的三维TCAD仿真，MOSFET模式使用热动运输模型，TFET模式使用非局域带对带隧穿模型，以精确捕捉器件物理行为。
- 在不同栅极偏置下仿真了转移特性与能带结构图，以验证动态重构能力与性能指标。
- 通过ION、IOFF、亚阈值摆幅及ION/IOFF比值评估器件性能，以判断其在高性能与低功耗应用中的适用性。
实验结果
研究问题
- RQ1能否通过电致掺杂源/漏区实现单个硅纳米线FET在MOSFET与TFET导电机制之间的动态切换？
- RQ2在无离子注入的前提下，外部极性栅极偏置如何控制载流子类型与导电机制？
- RQ3同一器件中，MOSFET模式下的导通电流与TFET模式下的亚阈值摆幅/关断电流之间存在何种性能权衡？
- RQ4该可配置FET在多大程度上能同时实现高ION与超低IOFF，从而支持双功能应用？
- RQ5增加极性栅极与额外金属沉积所引入的寄生效应与制造挑战是什么？
主要发现
- 该可配置FET在TFET模式下实现了约24 mV/dec的陡峭亚阈值摆幅，表明具有优异的栅控能力与极低漏电流。
- 在TFET模式下，关态电流（IOFF）低至10⁻¹⁹ A，展现出卓越的功耗效率。
- 在MOSFET模式下，导通电流（ION）达到35 µA，表明其具备支持高速运行的强劲性能。
- ION（MOSFET模式）与IOFF（TFET模式）的比值达到约10¹³，证实该器件兼具高性能与低功耗能力。
- 通过调节极性栅极偏置，器件可成功在MOSFET与TFET工作模式间切换，仿真结果与传统静态器件一致。
- 主要限制是由于增加了极性栅极与金属沉积，导致寄生效应增强，需谨慎进行集成与隔离设计。
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本解读由 AI 生成，并经人工编辑审核。