纳米线可重构场效应晶体管中边缘栅电容模型的构建及其对电路性能的影响研究

为应对先进可重构场效应晶体管（RFET）设计中日益复杂的寄生电容问题，研究人员提出了一种针对纳米线RFET（NW-RFET）边缘栅电容的解析模型。该模型通过引入经验参数校准环形电容器有效宽度及电场线分布误差，经3-D场求解器验证其误差率低于2.18%。研究表明，寄生电容可使电路延迟增加20.9%，为优化RFET电路设计提供了关键理论支撑。

　　

随着摩尔定律推动晶体管尺寸持续微缩，传统平面MOSFET的物理极限日益凸显。为提升静电控制能力，业界相继开发出FinFET、环栅（GAA）和互补FET（CFET）等多栅结构。然而，纳米线可重构场效应晶体管（NW-RFET）作为新兴架构，其独特的金属-半导体-金属异质结（如NiSi₂/Si/NiSi₂轴向结构）在实现双向导电的同时，也带来了边缘栅电容（fringe gate capacitance）建模的挑战。这种寄生效应会显著劣化电路性能，但现有模型难以精准量化其影响。

针对这一难题，中国研究人员在《Micro and Nanostructures》发表研究，构建了首个NW-RFET边缘栅电容解析模型。团队采用Synopsys Raphael 3D准静态场求解器（基于边界元法）提取电容参数，通过引入经验参数校准环形电容器有效宽度和电场线分布误差。模型将结构分解为纵向、横向和角向分量，结合HfO₂介电层特性进行系统表征。

Device Structure and Simulation Methodology
研究采用轴向NiSi₂/本征Si/NiSi₂异质结纳米线，以HfO₂为栅介质。通过3D仿真明确源漏长度与氧化层厚度对寄生电容影响小于2%，故聚焦于栅极覆盖长度（L_ov）和纳米线半径（R_NW）等关键参数。

Fringe gate capacitance modeling
模型将边缘电容分为栅-源/漏重叠区和非重叠区分量，通过修正电场线分布公式，解决了传统平行板近似在高曲率纳米线中的失效问题。经验参数α、β分别用于调节等效电容宽度和边缘场强衰减系数。

Result and Discussion
当L_ov从10nm增至30nm时，寄生电容提升41.7%；R_NW从5nm扩大到15nm则导致电容增长89.3%。模型与仿真数据的均方根误差（RMSE）仅为2.18%，显著优于传统方法。嵌入机器学习提取的电路模型后，证实寄生电容可致关键路径延迟恶化20.9%。

Conclusion
该研究不仅为NW-RFET设计提供了精准的电容预测工具，更揭示了寄生效应对电路性能的量化影响。模型可直接集成至EDA工具链，对3nm以下节点的RFET电路时序优化具有重要指导意义。作者团队特别指出，该框架可扩展至其他环栅器件，为后摩尔时代晶体管设计提供通用建模范式。