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1、(10)申请公布号 CN 102832256 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 3 2 2 5 6 A *CN102832256A* (21)申请号 201210330687.6 (22)申请日 2012.09.07 H01L 29/788(2006.01) H01L 29/08(2006.01) (71)申请人北京大学 地址 100871 北京市海淀区颐和园路5号 (72)发明人刘飞 刘晓彦 康晋锋 杜刚 王漪 (74)专利代理机构北京路浩知识产权代理有限 公司 11002 代理人王莹 (54) 发明名称 隧穿场效应晶体管 (57) 摘要 本发明涉及场效应。
2、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权。
3、利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1页 2 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，。
4、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17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。
5、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。 权 利 要 求 书CN 102832256 A 1/4页 3 隧穿场效应晶体管 技术领域 0001 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 0002 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/ decade12。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。
6、构成的隧穿场效应晶体管的亚阈值斜率可以低于 60mV/Dec3-6。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。 0003 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。 0004 上面提到的参考文献如下： 0005 1A.Seabaugh and Q.Zhang,“Low-voltage tunnel trans。
7、istors for beyond-CMOS logic,”Proc.IEEE,vol.98,no.12,pp.2095-2110,Dec.2010. 0006 2A.M.Ionescu and H.Riel,“Tunnel field-effect transistors as energy efficient electronic switches,”Nature,vol.479,no.7373,pp.329337,Nov.2011. 0007 3J.Appenzeller,Y.-M.Lin,J.Knoch,and Ph.Avouris,“Band-to-band tunneling in。
8、 carbon nanotube field-effect transistors”,Phys.Rev.Lett. Vol.93,p.196805,2004. 0008 4S.O.Koswatta,M.S.Lundstrom,and D.E.Nikonov，“Band-to-band tunneling in a carbon nanotube metal-oxide-semiconductor field-effect transistor is dominated by phonon-assisted tunneling”,Nano Lett. Vol.7,No.5,p.1160-1164。
9、,2007. 0009 5Q.Zhang,T.Fang,H.Xing,A.Seabaugh,and D.Jena,“Graphene Nanoribbon Tunnel Transistors”,IEEE Electron Device Lett.,vol.29,no.12,pp.1344-1346,De c.2008. 0010 6P Zhao,J.Chauhan,and J.Guo,“Computational study of tunneling transistor based on graphene nanoribbon”,Nano Lett.9,684,2009. 0011 7Y.。
10、Lu,J.Guo,“Local strain in tunneling transistors based on graphene nanoribbons”,Appl.Phys.Lett.vol.97,p.073105,2010 0012 8J.H.Kang,Y.He,J.Y.Zhang,X.X.Yu,X.M.Guan,and Z.P Yu,“Modeling and simulation of uniaxial strain effects in armchair graphene nanoribbon tunneling 说 明 书CN 102832256 A 2/4页 4 field e。
11、ffect transistors s”,Appl.Phys.Lett.vol.96,p.252105,2010 0013 9K.T.Lam,D.W.Seah,S.K.Chin,S.B.Kumar,G.Samudra,Y.C.Yeo,and G.Liang,“A Simulation Study of Graphene nanoribbon tunneling FET with heterojunction channel”,IEEE Electron Device Lett.,vol.31,no.6,pp.555 557,Dec.2008. 0014 10Y.K.Yoon and S.Sal。
12、ahuddinb,“Barrier-free tunneling in a carbon heterojunction transistor”,Appl.Phys.Lett.vol.97,p.033102,2010. 0015 11Y.K.Yoon,S.H.Kim,and S.Salahuddina,“Performance analysis of carbon-based tunnel field-effect transistors for high frequency and ultralow power applications”,Appl.Phys.Lett.vol.97,p.233。
13、504,2010. 发明内容 0016 (一)要解决的技术问题 0017 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。 0018 (二)技术方案 0019 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。 0020 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。 0021 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。
14、掺杂。 0022 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。 0023 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。 0024 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。 0025 优选地，所述沟道区为二维材料。 0026 优选地，所述上栅极和下栅极为导电材料。 0027 进一步优选地，所述上栅极和下栅极为金属材料。 0028 (三)有益效果 0029 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。
15、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 0030 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； 0031 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； 说 明 书CN 102832256 A 3/4页 5 0032 图3a是PIN结构能带图；图3b是PNIN结构能带图； 0033 图4是本发明实施例三的单栅结构示意图。 具体实施方式 0034 下面结合附图和实施例，。
16、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。 0035 实施例一 0036 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。 0037 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。 0038 本实施例中，所。
17、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。 0039 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SiO 2 、HfO 2 等氧化物。 0040 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。 0041 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。
18、-N结，从而形成PNIN型 隧穿场效应晶体管。 0042 实施例二 0043 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。 0044 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。 0045 实施例三 0046 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。
19、质层所组成的二层结构替换为衬底。 0047 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 说 明 书CN 102832256 A 4/4页 6 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。 0048 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。 说 明 书CN 102832256 A 1/2页 7 图1 图2 图3a 图3b 说 明 书 附 图CN 102832256 A 2/2页 8 图4 说 明 书 附 图CN 102832256 A 。