纳米金属氧化物半导体场效应晶体管(NANO-MOSFET)的热电子发射和

电子学报纳米金属氧化物半导体场效应晶体管嫩颔，3町的热电子发射和弹道输运模型郭靖。蒋建飞。蔡琪玉上海交通大学微电子研。究所。上海200030统MOSFET，NAMMOSFE源漏区采用金属，沟道采用本征娃，该结构避免了传统MFET的短沟道效应，利用组基本器件方程式。我们模拟并分析了他0观1的基本特性。计算明。胗，在定范围内源漏电导受栅极电压显著调控。适用于各种数字电路。包括存储单元。另外。选取合适的直流偏置点，006现1可用作模拟小信号放大器。

1引言随着微细加工技术的迅猛发展。近十年来，集成电路制造中祖1的典型沟道长度不断减小。目前，己到沟道长度为10，特征频率为80的观1的报道1.可以期望，不久的将来肘087的沟道长度将进入数十纳米甚至几纳米的领域。

进入纳米范围后。传统结构的抓8将会有显著的短沟道效应。导致其沟道有效长度极限为702.为减小短沟道效应，肘08现了的结构需要有新的思路。例如采用本征硅沟道的801结构以及将源区和漏区改为金属。为区别于传统结构的陬况我们将这种酵份称为似服，娜现尺寸的减小及结构的变化使得似抑邓现的工作机发生相应变化。粗略的估算得到室温下本征硅中电子输运纳米时。电子输运的平均自由程与肘的沟道长度相当。

这时，沟道内的电子输运机制将变为以弹道输运为主，而不是传统的以扩散漂移输运为主。

2器件结构顺况肘观1结构1.该结构与传统抓，点首先，顺03顶采用801结构3.其次，为了避免进入纳米范围后的短沟道效应的影响1侧视了的源区和漏区由金属构成。其次，肘娜1的沟道采用本征硅4这是由于在这样小的尺寸内，沟道杂质浓度的均匀性难以控收稿日期19，426；修回日期199叫3器件方程3.1热电子发射的电流密度方程金属与本征硅界面上，单位时间单位面积内热发射入本征桂后1方向动量为。+犯2方向动量产，及为任意值的电子数为151其中，所为电子质量，为玻尔兹曼常数，71为环境温度，办为普朗克常数，勒为肖特基接触的势垒高度。

将热电子发射后1向初始动能与动量的关系式=2所代入式得1方向。处热电子发射的电流密度允的方程为其中，为电子电量。

3.2泊松方程层很薄时，电势沿7方向1可采用抛物线近似6.将抛物线近似代入泊松方程，整理可得18上的肖特基结队，0德汾。

d2Uxdx中给出坐标轴取法以及沟道长度其中为7=0处电势随尤变化的函数，和。和心分别为沟道及栅氧化层的相对介电常数和厚度，为沟道内的电子浓度，为栅极电压。

3.3理想弹道输运方程忽略输运电子的边界散射和扩散，对于沟道内作维弹道输运的电子，首先满足电流连续性方程171其中，由式2给出，1印尤分别为对应于电子初始动能在1处的电子浓度和1方向上的输运速度。

其次，在弹道输运过程中，电子能量守恒，对于从源区往漏区输运的电子和从漏区往源区输运的电子分别满足式5和式6其中，所为电子质量，0为源极处的电势，7为漏极处的电势，7为1处的电势。利用式2至6，采用计算机数值模拟。可求得文，7尤。尤及电流沿可由尤及介对能量积分可得。

4模拟结果对于沟道长度1=20，沟道厚度=5，栅氧化层厚到2至4道长度方向分布曲线。其中，1=20圆。

0代时。沟道内电子势能分布曲线。此时，沟道内电势分布为上凸曲线。我们称之为势垒上凸情况。这时，从源漏区发射出来的电尹。只有初始能量较大的电子才能到达沟道中部。所以相对于近源漏区来说。沟道中部载流子浓度较低。25.由于源漏间厚势垒的存在。势垒上凸情况下源漏电流极小。当肌08肫1用于数字应用时，该情况对应于，厘，08亚截止状态。

4=0斤沟道内电子势能分布曲线。我们称之为势垒下凹情况。这时，从源区发射的电子可以全部到达漏区形成电流；而从漏区发射的电子。只有初始能量大于源漏电子势能差的电子才能到达源区。形成电流。两股电流的差值即为源漏电流。另外。在输运过程中。电子能量守恒，所以在沟道中部，电子的速度较大。

由电流连续性方程可知，速度较大位置的载流子浓度较小。所以沟道中部载流子浓度较小。同时注意到漏极发射的能量较低的电子不能到达源极，只能在近源区聚集。导致近源区载流子浓度峰值的出现。如阳2心。

转移特性曲线。当栅电压较小时08，沟道势垒上凸。使得只有少数热发射初始能量很大的电子能越过势垒。形成电流。所以此时电流相对个。当栅电压较欠，05.沟道内的电子势能相对源漏区的电子势能较低，栅电压的变化不再影响从个电极发射的电子能否到达另电极。所以源漏电流不随栅电压变化。从而出现了栅失控效应。

该效应是由于只考虑源漏区对沟道的热电子发射而忽略隧穿发射引起的。3，说叫。08时与。0时的源漏电流有显著变化，该特性适合于祖呢肘03的数度厌奶揎娜，盟笕，毙，6篑况1油者1腽，塍哪晷，磁1财，0，031收源漏伏安特性曲线。转移特性曲线化关系。在对应个源漏屯压。跨导6对组成放大器。为获得较大的增益。选取含适的直流偏置点至关重要。

1测肘观7的热电子发射模型忽略了些重要效应。

首先，在势垒下凹的情况下，电子可以通过隧穿方式进入沟道。其次，当沟道长度和宽度进步缩短时，岛区将现出低维特性，例如能级分离。所以，该模型的适用范围为在沟道长度和宽度与本征硅中电子平均自由相当的情况下。栅极电压和源漏电压较小的情况。估算明，本文中除特别说明外，该模型适用。

5结论，况，观7的源漏电极区采用金属，沟道区采用本征桂，避免了限制传统肘件1在纳米范围内正常工作的短沟道效应。801结构减小了器件的寄生电容，有利于器件工作速系。中器件参数与2相同厂特性曲线。当较小时，在中源漏电压范围内，对应于势垒上凸情况。此时源漏区的电子主要以热电子发射形式进入沟道，适用于本文的热电子发射模型。注意到中当较大时源漏电流随源漏电压，大饱和于同数值与正常况不符。这是由于这时对应于势垒下凹情况，源漏区与沟道间分别存在较薄的势垒源漏区电子进入沟道的主要方式将不再是热发射方式。而是隧穿方式。

度的提高。1的坫本特性分1及叫。在定栅极电压范围内，源漏电流受栅极电压显著调控。该特性适用于各种数字电路包拈存儿。另外1的苒导随栅电压变化关系存在峰值。因此采用人抑撕8犯1构成模拟小信号放大器时。选取合适的直流偏置点至关重要。

薛增泉，吴全德。电子发射与电子能谱1.北京，北京大学出郭靖1976年出生。1998年获得上海交通大学通信工程专业学士学位。现在上海交通大学微电子研宄所攻读硕士学位。研宄方向为纳米电神。

蒋建飞1935年出生。观为上料交通学微电子研宄所教授。博士生导师。1990年3年在日本横滨国立大学电子与信息系任客座教授。在国内外著名刊物上发论文12余篇，出版学术著作六部。目前研宄兴趣是纳米电子学和超导电子学报