纳米线晶体管的物理机制和紧凑模型研究

As feature size has shrink into nanometer scale, nanowire transistor has become one of the novel and attractive power transistors. A physics-based and unified compact model for nanowire transistors is important for further extremely scaled devices and chips. Our previous researches show that, compared with both planar and multiple-gate transistors, analytical solution of surface potential and surface-potential-based compact model are able to describe the electrical characteristics accurately and efficiently. Compared with the conventional planar devices, the analytical solution of surface potential in nanowire transistor is still the main obstacle in device modeling. This project is to propose the effective charge density approach, derive an analytical solution of the coupling between surface potential and central potential, develop a calculation scheme of surface potential analytical solution, and build a core compact model including both DC and AC properties. Compared with the multiple-gate transistors, as the feature size of nanowire transistors comes into nanometer scale, this project is to propose the correction of the core compact model, which is able to analyze and explain both short-channel and quantum effects on device characteristics and performances. Finally, the proposed model is implemented into the circuit simulators. In summary, this project aims to study the physics of nanowire transistors and develop the surface-potential-based compact model, which is practical for the circuit simulation in nanometer regime. It can also serve as a modeling basis for the process research and IC design of the novel nanometer devices.

纳米线晶体管是纳米尺度下的一种新型和重要器件，建立有结型和无结型纳米线晶体管的统一紧凑模型，对推动半导体器件及芯片进一步小型化具有深远意义。我们的前期研究表明，对于平面结构和多栅结构的晶体管，表面势的解析求解算法和基于表面势的紧凑模型能准确且高效地表征器件的电学特性。相比于传统平面器件，纳米线晶体管的表面势仍存在难以解析求解的技术瓶颈，本项目拟基于纳米线晶体管工作的物理机制，提出有效电荷密度法，解析求解表面势与中心电势的耦合关系方程，建立表面势解析求解算法，以及直流和交流的核心模型；相比于多栅晶体管，纳米线晶体管的特征尺寸进入纳米量级，亟需研究短沟道和量子效应对器件电学特性影响的物理机制，建立器件核心紧凑模型的修正模型，实现器件模型的电路仿真器嵌入。总之，本项目旨在深入揭示纳米线晶体管工作的物理机制，建立适用于电路仿真的纳米尺度器件模型，为新一代纳米器件的研制及其集成电路设计提供建模基础。

作为纳米尺度下的新型和重要器件，纳米线晶体管对推动半导体器件及芯片进一步小型化具有重要意义。特别是在国际社会对中国禁售14nm以下制程IC设计EDA工具的背景下，本项目深入揭示了纳米线晶体管工作的物理机制，基于有效电荷密度法，建立了纳米线晶体管基于表面势的核心紧凑模型，并提出了短沟道效应和量子效应的修正模型，完成了模型参数提取工作，为新一代纳米器件的工艺仿真和集成电路设计仿真提供紧凑建模的理论分析基础和技术支持。.本项目深入分析了数值迭代法、分区域近似法、有效电荷密度法、人工智能算法等多种求解算法的优缺点，在研究方法上确立了以项目组前期提出的有效电荷密度法为核心，进一步优化该算法，克服了紧凑建模的瓶颈问题——精度与效率的折中。更重要的是，项目组认识到上述三类方法仍存在不足之处，创立了“差分微变理论”，并初步验证了该理论的实用型，用以进一步提升紧凑建模的折中质量。基于有效电荷密度法，本项目组顺利完成了以下研究内容：① 利用半导体器件仿真工具TCAD分析了器件工作的物理机制，结合张弛法建立高精度的器件仿真模型，并为紧凑模型提供验证数据；② 优化有效电荷密度法，建立器件表面势的解析求解算法，构建了直流核心紧凑模型；③ 分析器件的短沟道效应和量子效应，建立了核心紧凑模型的修正模型；④ 建立了模型参数提取方法，为模型嵌入电路仿真器奠定基础。.本项目构建了纳米线晶体管的表面势紧凑模型，并提出了模型参数的自动化提取流程，最大偏差小于3%；截止目前，发表研究成果论文8篇，国际会议论文1篇，SCI三区及以上期刊7篇：Top期刊《Energy》1篇，《IEEE Electron Device Letters》期刊2篇、包括封面论文1篇，《IEEE Transactions on Electron Devices》期刊3篇，SCI三区期刊《Nanomaterials》1篇；培养研究生3名。以上成果满足项目预期成果要求，既解决了紧凑建模中效率与精度折中这一瓶颈问题，又为我国突破亚纳米量级IC设计EDA工具壁垒提供了紧凑建模的理论基础和技术支撑。