浅谈光电探测器和图像传感器（二十一）：器件电学参数（1）

写在前面光电器件，首先它是电器件，所以这一系列介绍一下解耦的电学参数和性能测试。这篇开个小头，后面细水长流Last but not least：祝大家：马年大吉，新年快乐！开工大吉！

器件电学参数

光电器件，尤其是光电晶体管在进行光电耦合测试时，需要进行材料参数和电学性能的测试，尤其是对于兼具感算能力一体的光电晶体管（phototransistor）而言（光电逻辑晶体管也是目前很火的方向之一）。本系列将系统介绍 FET 器件的关键电学参数测试方法和材料参数测试方法等。该篇主要介绍电学测试。

01. 概述

下图总结了关键的器件电学参数，涵盖了器件层面的性能指标，材料层面性能参数和物理层面的非理想因素。

图1 器件电学参数汇总，图片来源：原创

02. 器件性能

首先介绍两个FET里的非理想效应，DIBL和GIDL。

1 【短沟道效应参数】DIBL

物理意义： DIBL(Drain-Induced Barrier Lowering) 漏致势垒降低，该指标描述漏极电压对沟道势垒高度的调制效应，是短沟道效应的核心指标。对长沟道器件而言，DIBL一般可以忽略，当沟道长度缩短时，漏极电压会显著影响源极附近的势垒，导致阈值电压随漏压变化。

图 DIBL原理示意图，图片来源：https://semiconwiki.com/what-is-drain-induced-barrier-lowering-dibl/

测试公式：

测试步骤：

在低漏压（Vds=50mV）下测得 Vth1

在高漏压（Vds=Vdd）下测得 Vth2

计算斜率，单位 mV/V

图 DIBL测试示意图，来源https://siliconvlsi.com/dibldrain-induced-barrier-lowering/

2. GIDL

物理意义： GIDL(Gate-Induced Drain Leakage) 栅致漏极泄漏，该指标描述栅极电压对漏极PN结耗尽区的调制效应，是短沟道器件关态漏电的主要机制之一。对长沟道器件而言，GIDL通常可以忽略；当沟道长度缩短、栅氧化层减薄时，栅极与漏极重叠区域的强电场会导致显著的带带隧穿，产生额外的泄漏电流。

物理机制：在栅漏交叠区（Gate-Drain Overlap），当栅压为负（NMOS关态）、漏压为正高电压时，形成强横向电场。该电场使得：

表面耗尽区深度增加，能带强烈弯曲

价带电子隧穿至导带（Band-to-Band Tunneling, BTBT）

产生电子-空穴对，电子被漏极收集，空穴流向衬底形成衬底电流

图 GIDL原理示意图来源：https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/gate-induced-drain-leakage；https://newsroom.lamresearch.com/improving-dram-performance-using-dwmg

图 GIDL现象示意图，来源

❝GIDL的主导电流机制是BTBT和TAT

BTBT采用Kane模型描述：

在工艺能力较强，氧化层及其界面缺陷可控条件下，BTBT主导GIDL，因此GIDL电流可以表达为

其中为表面电场强度，为与材料相关的常数。

GIDL的测量可以直接测量高漏压下的上抬的off电流，也可以基于斜率评估。

测试方法：

1.斜率法

图 GIDL斜率法测量示意图，来源https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/gate-induced-drain-leakage

测试步骤：

计算GIDL斜率：在负栅压区的斜率

2. 高漏压电流法：

图高漏压提取GIDL电流示意图，来源：https://sawazawablog.com/subthreshold_current/

GIDL抑制方案：

技术	原理	效果
轻掺杂漏极（LDD）	降低漏极表面电场	显著降低GIDL
栅漏交叠优化	减少有效交叠面积	降低隧穿概率
高k介质/金属栅	增加等效氧化层厚度（EOT）	降低栅控电场
漏极工程	优化漏极掺杂梯度	平滑电场分布
器件结构（FinFET/GAA）	增强栅控，减少交叠	从根本上抑制GIDL

与DIBL的区别：下面这张图形象对比了GIDL和DIBL的区别，总的来说他们的核心共同的在于都是：栅极和漏极争抢沟道调控的结果，由于栅极电场和漏极电场耦合作用引入了非理想调控。他们的核心区别在于：

DIBL：漏压调制源极势垒 → 影响阈值电压（随变化）导致开关关不住，SS恶化，关态电流恶化，从而恶化开关特性。在短沟道下更明显。

GIDL：栅压调制漏极耗尽区 → 产生额外关态漏电（恶化），导致关态功耗增加。在高场下产生。

两者共同构成短沟道器件关态漏电的主要来源，在先进节点（<10nm）中尤为关键。

图 GIDL和DIBL的区别，来源：http://blog.iccourt.com/t/Gate.html

3. 亚阈值摆幅

物理意义： 亚阈值摆幅 (Subthreshold Swing, SS)表示器件在亚阈值区的开关特性，定义为漏极电流变化一个数量级所需的栅压变化。

SS越低，器件在亚阈值区的电流切换越陡峭，Ion/Ioff 开关比越高，越接近理想开关特性。这使得器件能够在更低的栅压下实现相同的导通电流，从而显著降低关态漏电流与静态功耗。

理论公式：

玻尔兹曼极限：由上式可以看到，在室温（300K）下，SS由玻尔兹曼极限所约束，因此典型值通常大于60mV/dec。这是由于扩散漂移这一输运原理耦合材料DOS*f（E）限制导致的。

图玻尔兹曼分布，来源https://web.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/iss/kap_4/illustr/s4_4_2.html

❝SS也是栅控能力的表征。随着节点演进的很多先进半导体技术本质上也是为了提高栅控能力，降低SS

打破玻尔兹曼极限，常见的改善方案包括：

改善材料--cold source；

改变输运--隧穿晶体管

电容

改变KT/q--降温

提取方法：

在Vds的线性区（比如）测量 - 曲线，在亚阈值区线性段提取斜率

图：SS提取示意图来源：https://www.semanticscholar.org/paper/Analytical-model-to-estimate-the-subthreshold-swing-Es-Sakhi-Chowdhury/f14ef3b9ba8c87b9bed2d2dabe0e8d6db3d2c584

❝目前关于获得超陡亚阈值摆幅的相关工作很多，这块儿内容较为复杂，有机会再介绍

4. 关态电流 (I off)

定义： 关态电流 (I off)是晶体管处于"关"状态时的漏电流，该性能参数对对移动设备待机功耗至关重要。通常定义为：

组成成分：关态电流的组成成分包含沟道亚阈值泄漏，GIDL，源漏极结反偏电流，沟道缺陷贡献电流等。

I_off = I_sub + I_GIDL + I_GISL + I_DIBL + I_BTBT + I_junction + ...

5. 开关比 (Ion/Ioff Ratio)

定义： 开态电流与关态电流之比

（未完待续）

参考资料

1.https://siliconvlsi.com/dibldrain-induced-barrier-lowering/

2.http://www.anytesting.com/news/1958345.html

3.https://newsroom.lamresearch.com/improving-dram-performance-using-dwmg

4.https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/gate-induced-drain-leakage；https://newsroom.lamresearch.com/improving-dram-performance-using-dwmg

5.https://cn.bing.com/images/search?view=detailV2&ccid=EQPHFhlI&id=DA716DB1DEA8F3EEA3EB9318CD5A5BFEFCCE795C&thid=OIP.EQPHFhlIImC6hOiWUiGqDgAAAA&mediaurl=https%3A%2F%2Fts1.tc.mm.bing.net%2Fth%2Fid%2FR-C.1103c71619482260ba84e8965221aa0e%3Frik%3DXHnO%252fP5bWs0Ykw%26riu%3Dhttp%253a%252f%252fzyblog-dxy.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com%252fuploads%252f20210714%252f1103c71619482260ba84e8965221aa0e.png%26ehk%3D9q2pRtdaG9IFn6NGgQrsZIq%252b9bKdahsHONNFXYrmPtk%253d%26risl%3D%26pid%3DImgRaw%26r%3D0&exph=273&expw=376&q=GIDL+measurement&FORM=IRPRST&ck=B8A8E372038CCF7D0BD7D7EB0DBDF058&selectedIndex=17&itb=0&cw=1542&ch=758&ajaxhist=0&ajaxserp=0

6.https://sawazawablog.com/subthreshold_current/

7.https://www.semanticscholar.org/paper/Analytical-model-to-estimate-the-subthreshold-swing-Es-Sakhi-Chowdhury/f14ef3b9ba8c87b9bed2d2dabe0e8d6db3d2c584

部分参考文献直接附在图片正下方