HfO2 /SiO2 间隔氧化物宽度优化提升亚纳米硅基无结双金属环栅FET的太赫兹性能与短沟道完整性研究

本研究通过TCAD仿真优化硅基无结双金属环栅FET（JLDMGAA MOSFET）的HfO2 /SiO2 间隔氧化物宽度，显著提升gm 、fT 等高频参数，同时降低DIBL和SS，为下一代高性能太赫兹器件设计提供关键理论支撑。

　　

随着无线通信和物联网(IoT)的快速发展，对高频半导体器件的需求日益迫切。传统晶体管如双极结型晶体管(BJT)和鳍式场效应晶体管(FinFET)面临功耗高、工艺复杂等挑战，而环栅场效应晶体管(GAA FET)因其卓越的静电控制能力成为研究热点。然而，在亚100纳米尺度下，如何平衡高频性能与短沟道效应仍是亟待解决的难题。

针对这一挑战，研究人员创新性地提出在无结双金属环栅MOSFET(JLDMGAA MOSFET)中采用HfO₂
/SiO₂
复合间隔氧化物结构。通过Silvaco TCAD三维仿真，系统研究了间隔氧化物长度对g_m
、f_T
、DIBL等关键参数的影响。研究发现，12nm间隔氧化物可使f_T
达到721GHz，较传统结构提升167%，同时将亚阈值摆幅(SS)降至67.2mV/dec。这些突破性成果发表于《Nano Trends》，为太赫兹器件设计提供了新思路。

研究采用的关键技术包括：1)基于ATLAS 3D的器件建模与参数提取；2)Shockley-Read-Hall复合模型与场相关迁移率分析；3)双金属栅(DMG)功函数梯度设计(5.25eV/4.17eV)；4)高k介电材料(HfO₂
)原子层沉积(ALD)工艺仿真。

3. 结果与讨论
3.1 传输特性优化
通过调节间隔氧化物长度，30nm沟道器件的I_on
/I_off
比提升至1.48×10⁴
，电场分布模拟显示间隔氧化物能增强栅极对沟道的静电控制。

3.2 高频性能突破
12nm间隔氧化物使g_m
达147.2μS，f_T
提升至721GHz，这得益于高k材料对寄生电容的抑制和载流子传输效率的提高。

3.3 短沟道效应抑制
DIBL值降至98.4mV/V，电势分布模拟证实间隔氧化物能有效屏蔽漏极对沟道的干扰，电子浓度分布更均匀。

4. 结论
该研究证实HfO₂
/SiO₂
间隔氧化物工程可同步提升器件的高频性能和短沟道完整性。其创新点在于：1)首次在JLDMGAA结构中实现f_T
超700GHz；2)通过DMG与高k间隔协同优化，解决传统结构DIBL与SS的权衡难题。这些发现对5nm以下节点的器件设计具有重要指导意义，未来可通过实验验证进一步推动产业化应用。