[论文解读] A New Dual-Material Double-Gate (DMDG) Nanoscale SOI MOSFET - Two-dimensional Analytical Modeling and Simulation

G. Venkateshwar Reddy, M. Jagadesh Kumar|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2010

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 14被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型双材料双栅（DMDG）绝缘体上硅（SOI）金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET），采用双材料栅极结构以抑制短沟道效应。通过在表面电势分布中引入一个阶跃，该结构能有效屏蔽漏极电势，降低漏致势垒降低（DIBL）效应，并通过提高跨导和降低漏极电导，相较于传统双栅SOI MOSFET，显著提升器件性能。

ABSTRACT

In this paper, we present the unique features exhibited by modified asymmetrical Double Gate (DG) silicon on insulator (SOI) MOSFET. The proposed structure is similar to that of the asymmetrical DG SOI MOSFET with the exception that the front gate consists of two materials. The resulting modified structure, Dual Material Double Gate (DMDG) SOI MOSFET, exhibits significantly reduced short channel effects when compared with the DG SOI MOSFET. Short channel effects in this structure have been studied by developing an analytical model. The model includes the calculation of the surface potential, electric field, threshold voltage and drain induced barrier lowering. A model for the drain current, transconductance, drain conductance and voltage gain is also discussed. It is seen that short channel effects in this structure are suppressed because of the perceivable step in the surface potential profile, which screens the drain potential. We further demonstrate that the proposed DMDG structure provides a simultaneous increase in the transconductance and a decrease in the drain conductance when compared with the DG structure. The results predicted by the model are compared with those obtained by two-dimensional simulation to verify the accuracy of the proposed analytical model.

研究动机与目标

• 为解决纳米尺度SOI MOSFET中长期存在的短沟道效应问题，该效应会降低器件性能并影响可扩展性。
• 通过引入双材料栅极结构，改善双栅SOI结构中的静电控制能力。
• 建立关键器件特性（如表面电势、电场和阈值电压）的精确二维解析模型。
• 展示相较于传统DG SOI MOSFET，DMDG结构在性能指标上的提升，特别是跨导增加和漏极电导降低。
• 通过二维数值仿真验证解析模型的准确性与可靠性。

提出的方法

• 基于硅体内的泊松方程，建立二维解析模型，求解双材料栅极影响下的表面电势。
• 在硅-氧化物界面和栅-氧化物结处引入边界条件，以精确建模电势分布。
• 利用推导出的电势分布计算阈值电压和漏致势垒降低（DIBL），以量化短沟道效应。
• 基于解析电势解，推导漏极电流、跨导、漏极电导和电压增益的表达式。
• 通过与二维数值仿真对比，验证解析结果的准确性与可靠性。
• 在前栅极处采用阶梯状功函数分布，形成势垒以屏蔽漏极影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在双栅SOI MOSFET中引入双材料栅极，如何影响短沟道效应的抑制？
• RQ2 双材料栅极结构对表面电势分布有何影响，其在屏蔽漏极电势方面发挥何种作用？
• RQ3 与传统DG SOI MOSFET相比，DMDG结构在提升跨导和降低漏极电导方面改善程度如何？
• RQ4 二维解析模型在预测关键器件参数（如阈值电压和DIBL）方面的准确性如何？
• RQ5 双材料栅极中功函数差值与由此产生的静电势调制之间存在何种关系？

主要发现

• 由于表面电势分布中存在明显的阶跃，DMDG SOI MOSFET显著降低了短沟道效应，增强了对漏极电势的屏蔽能力。
• 解析模型能准确预测器件行为，其结果与二维数值仿真结果高度吻合。
• 与传统DG SOI MOSFET相比，DMDG结构实现了跨导提升和漏极电导降低的同步改善。
• DMDG结构有效抑制了漏致势垒降低（DIBL）效应，表明静电控制能力得到增强。
• 由于双材料栅极结构，阈值电压更加稳定，对栅长变化的敏感性降低。
• 所提出的解析模型为设计高性能、纳米尺度SOI MOSFET提供了可靠的理论框架，具备更强的可扩展性与性能优势。