[发明专利]栅极抽取和注入场效应晶体管载流子控制方法

说明书

栅极抽取和注入场效应晶体管载流子控制方法，涉及微电子技术和半导体技术，本发明包括下述步骤：1)施加第一栅电压，完成对沟道半导体中载流子的抽取，2)施加与第一栅电压相反极性的第二栅电压，并通过控制第二栅电压的幅度，控制注入载流子的数量，从而实现低功耗；所述栅极抽取和注入场效应晶体管在绝缘层上设置有源极、漏极、栅极和沟道半导体区，栅极与沟道半导体区之间设置有栅介质层，所述栅介质层为电阻值为10³～10¹⁶Ω的薄膜材料；所述沟道半导体区的材质为二维半导体，或者具有二维半导体材料特点的三维半导体。采用本发明技术，器件和集成电路的功耗成数量级显著降低。

技术领域

本发明涉及微电子技术和半导体技术。

背景技术

采用硅为半导体材料的CMOS集成电路，几十年来其发展一直遵循摩尔定律。工艺尺寸不断地按比例缩小，目前7nm工艺己达量产[1]，正在处于开发5nm[2]，甚至3nm工艺技术的阶段[3]。硅集成电路的衬底厚度日益减薄,逐渐向二维半导体方向发展。

首个采用单原子层半导体石墨烯的石墨烯晶体管(GFET)于2004年诞生[4]。由于石墨烯带隙为零，在本专利对应的中国发明专利公布之前，尚未有采用大面积单原子层石墨烯制造的石墨烯GFET被关断的报道。在本专利对应的中国发明专利的实施例中，首次实现了大面积单原子层石墨烯GFET的理想关断，其开关比达到了5*10⁷。

单原子层石墨烯场效应晶体管(GFET)的发明给石墨烯带来了新一代半导体的希望，但是，进一步的研究表明，GFET在数字逻辑开关中的应用受到严重限制[5]。由于石墨烯的零带隙，GFET不能很好地关断。为了解决这一问题，石墨烯纳米带(GNR)的最大开/关比为1×10⁷[6]。然而，GNR的主要问题是石墨烯的载流子迁移率较低，这是由于引入附加载流子散射的结果。传统的关断GFET的方法是先打开石墨烯的带隙[7]。还尝试了其它方法来解决这个问题，包括场效应隧道晶体管(开/关比1×10⁵)[8]和石墨烯基真空晶体管(GVT，开/关比1×10⁶)[9].GFET不能关断的问题被诺贝尔奖获得者，Geim爵士预言解决时间要到2025年[10]。总之，传统的石墨烯场效应晶体管(GFET)没有栅电极电流对栅极抽取/注入效应，不能通过控制栅极电流的大小使沟道半导体材料中的载流子数n成数量级减小。传统GFET开关比很低，无法实现理想关断，因而其功耗很高。

传统的Si-MOSFET也没有栅电极电流对栅极抽取/注入场效应，不能通过控制栅极电流的大小使沟道半导体材料中的载流子数n减小，因而功耗高，只能通过按比例缩小的原则，降低其功耗。

在硅MOS器件与IC方面，据报道人们已经在研究最小尺寸为3nm的FINFET[3]。由FINFET结构[11]可知：在FIN的尺寸2nm的FINFET中，单面栅极所控制的半导体沟道的尺度为1nm，约两个硅原子层。所以硅半导体正在二维化，在栅极抽取和注入场效应晶体管(GEIT)发现的规律，可以适用于未来的硅器件和IC。从摩尔定律诞生[12]开始，几十年来，硅集成电路一直遵循按比例缩小原则[13]，随着关键尺寸的进一步减小，在小于22nm以后，器件的工作电压不能按比例缩小，由此带来器件的功耗降低的效果愈来愈差[14]。

传统的MOS晶体管中，栅介质是具有绝缘体特征的介质薄膜材料，栅介质层的电阻值为无穷大，如SiO₂，MOS晶体管的栅极通过栅极电容对半导体沟道的导电程度进行控制[15]。

历史上，由于数字CMOS电路工艺占统治地位，模拟集成电路工程师不得不接受愈来愈低的工作电压。然而，较低的工作电压对模拟集成电路信噪比和抗干扰能力的提高是非常不利的。

参考文献：