探究管状通道无结堆叠氧化物栅极全环绕MOSFET作为氨气检测器的参数敏感性：分析建模与仿真

《Micro and Nanostructures》：Exploring The Parametric Sensitivity of Tubular Channel Junctionless Stacked Oxide Gate-all-around MOSFET as Ammonia Gas Detector: Analytical Modeling and Simulation

基于高k栅堆叠的管状通道无源门全包围MOSFET氨气探测器性能研究

　　

普里塔·巴纳吉（Pritha Banerjee）| 杰奥蒂·达斯（Jayoti Das）

印度加尔各答贾达普尔大学（Jadavpur University）物理系

摘要

当前的研究工作重点分析了基于解析建模和仿真的管状通道无结堆叠氧化物栅极全环绕MOSFET作为氨气探测器的性能表现。分别对钴（Cobalt）、钌（Ruthenium）和钼（Molybdenum）催化栅极材料的漏电流基础上的灵敏度进行了比较分析。此外，还展示了这些材料的阈值电压、亚阈值摆幅（subthreshold swing）和开关比（switching ratio）等关键器件特性。同时，研究了这些催化栅极材料在不同通道长度和厚度下的器件响应特性。最后，还强调了使用HfO₂/SiO₂高K值栅极堆叠对所提出的氨气探测器各特性的影响。解析结果通过Silvaco Atlas 3D软件的仿真输出得到了验证。

引言

为了满足不断增长的消费者需求，当代半导体产业正在加速发展。便携性、成本效益和快速响应一直是全球范围内追求的理想器件特性，这些特性推动了半导体电子技术的持续创新。因此，MOSFET器件在纳米尺度上的性能优化促使其几何结构从基本的大块器件发展为双栅极（Double gate）、三栅极（Trigate）和圆柱形全环绕（Cylindrical gate all-around）架构，以最大限度地减少短通道效应（Short channel effects）[1]、[2]、[3]、[4]。圆柱形全环绕（CGAA）器件因其出色的性能表现而备受关注。最近，通过在通道中心添加绝缘柱的管状通道结构，进一步提升了器件性能[5]。这种结构被称为管状通道CGAA，其在抵抗短通道效应方面甚至优于传统的CGAA器件，并允许进一步小型化。

为了实现短通道效应的显著改善和降低制造成本，研究人员采用了多种技术策略，其中无结（Junctionless）架构是一种重要方法。无结设计由于没有源/漏通道的耗尽区，从而有效提升了抗短通道效应的能力，并减少了漏电流[6]、[7]。此外，由于整个无结器件采用均匀掺杂浓度，因此无需对源区和漏区进行单独掺杂，也避免了维护传统有结器件所需的 abrupt p-n 结的成本。

基于FET的探测器是现代研究的重点方向。这类探测器具有尺寸微型化的优势，便于携带，无需额外的转换元件，灵敏度高，并且与现代CMOS技术兼容。气体探测器应用广泛，尤其是氨气，在农业、医学实验室和食品包装行业中尤为重要，因为氨气的意外泄漏可能带来危险，因此需要对其进行有效监测。

鉴于氨气检测的这些关键需求，本研究首次提出了在高K值栅极堆叠的管状通道CGAA MOSFET中采用无结设计。选择这种先进的MOSFET几何结构旨在实现更优的性能、更低的漏电流和更具成本效益的制造工艺。

在设计基于MOSFET的气体传感器时，应优先考虑以下结构优势：低功耗、快速响应时间、高灵敏度、与CMOS技术的兼容性、多参数调节以优化灵敏度、由于短通道效应减轻而带来的更好器件稳定性、适宜的室温工作范围等。因此，用于气体检测的基本MOSFET架构应具备这些特性，以确保出色的灵敏度。

现有文献表明，管状CGAA MOSFET在抗短通道效应方面优于传统CGAA MOSFET，从而提供了更大的进一步小型化潜力、更低的功耗、更佳的室温性能以及与CMOS技术的更好兼容性。无结设计进一步提升了器件性能。因此，这种具有众多优势的架构首次被应用于氨气探测器。此前，研究人员曾设计过纳米线FET器件用于氨气检测[8]，但所提出的新器件在灵敏度方面明显优于纳米线FET结构，这增强了该氨气探测器的创新性和优势。

在所提出的器件中，栅极由钼（功函数：4.5-4.7eV）、钌（功函数：4.71-4.91eV）或钴（功函数：4.9-5.1eV）等催化金属构成。HfO₂/SiO₂高K值栅极堆叠通过减少漏电流进一步提升了器件性能[9]。因此，该氨气探测器被命名为管状通道无结全环绕MOSFET，采用钴/钌/钼催化栅极材料进行氨气检测。

器件结构

图1a展示了所提出的气体探测器的3D示意图，附有详细的标注以便理解。栅极由钼（功函数：4.5-4.7eV）、钌（功函数：4.71-4.91eV）或钴（功函数：4.9-5.1eV）等催化金属制成，能够检测氨气分子。栅极长度L为50纳米。栅氧层采用HfO₂（K=25）高K值栅极堆叠，厚度为2纳米（t₂），位于SiO₂（K=3.9）界面层上，厚度为2纳米（t₁）。

工作原理

所提出的氨气探测器基于MOSFET原理工作。当氨气分子被吸收时，催化栅极材料的功函数发生变化，从而导致器件参数（如阈值电压、漏电流、亚阈值摆幅等）也随之变化[12]。在没有氨气的情况下，这些参数保持固定值。

结果与讨论

仿真结果通过Silvaco Atlas 3D软件获得。用于获取仿真结果的相关物理模型包括Shockley-Read-Hall模型和Auger复合模型、考虑平行电场依赖性的FLDMOB模型以及速度饱和效应模型、T=300K时的浓度依赖性迁移率模型、带隙缩小模型、漂移-扩散电荷传输模型和Boltzmann模型（用于处理载流子统计特性）。

结论

本研究通过解析建模和仿真，重点分析了采用钴/钌/钼催化栅极材料的管状通道无结堆叠氧化物栅极全环绕MOSFET作为氨气探测器的性能。通过数学建模提取了多种器件参数，并通过Atlas 3D软件的仿真结果进行了验证。对阈值电压、亚阈值摆幅等关键参数进行了全面评估。

作者贡献声明

普里塔·巴纳吉（Pritha Banerjee）：负责撰写初稿、开展研究、获取资金、进行正式分析、概念构思以及审稿和编辑。杰奥蒂·达斯（Jayoti Das）：负责监督和概念构思。

未引用的参考文献

[14], [15], [16], [17], [22], [23]。

数据可用性

所有必要的研究数据均已包含在论文中。

利益冲突

作者声明不存在已知的利益冲突。

资金声明

作为首席研究员和DST WISE博士后研究员，普里塔·巴纳吉博士感谢印度科技部（Ministry of Science and Technology, Government of India）提供的财政支持，文件参考编号：DST/WISE-PDF/PM-53/2023。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益或个人关系：普里塔·巴纳吉博士指出，她的研究得到了印度科技部的财政支持。如果还有其他作者，他们也声明自己没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。