本书旨在普及全耗尽绝缘体上硅（FD-SOI）知识，帮助读者理解纳米FD-SOI器件的概念、机理及现实意义，掌握表征和分析技术。本书围绕FD-SOI的基本概念和主要环节展开，共10章。第1章为FD-SOI技术，主要介绍FD-SOI晶圆的制备工艺和关键技术，包括晶圆键合、切割和优化方法；第2章主要介绍耦合效应，包括FD-SOI器件中的界面耦合机制、阈值电压调节和迁移率耦合；第3章主要介绍尺寸微缩效应，包括短沟道效应、漏致势垒降低和迁移率坍塌等尺寸相关现象；第4章主要介绍浮体效应，包括翘曲、迟滞和锁存等浮体效应类型及其在FD-SOI中的影响；第5章主要介绍赝MOSFET，包括其工作原理、测试方法和在晶圆表征中的应用；第6章主要介绍二极管的表征方法，包括PIN二极管的分离电容、瞬态反向恢复等表征技术；第7章主要介绍FD-SOI MOSFET的表征方法，包括漏极电流线性外推、跨导峰值和固定电流法等基本表征技术。第8章主要介绍静电掺杂及相关器件，包括静电掺杂的基本概念、电荷-等离子体器件和可编程肖特基接触等；第9章主要介绍能带调控器件，包括能带调控器件的原理、稳态特性、建模及其在存储器中的应用；第10章主要介绍新兴器件，包括浮体存储器、隧穿场效应晶体管、四栅晶体管和无结晶体管等新兴器件类型及其特性。本书主要面向高等学校半导体、微电子科学技术、集成电路及相关专业的高年级本科生和研究生，同时也适合对纳米技术、半导体器件感兴趣的广大读者阅读。

索林?克里斯托洛维阿鲁（Sorin Cristoloveanu），欧洲科学院院士，全球公认的绝缘体上硅（SOI）技术的先驱，法国格勒诺布尔理工学院电子学和物理学博士。他曾在法国国家科学研究中心（CNRS）、美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）、摩托罗拉等全球知名机构，以及美国、澳大利亚、西班牙、中国、韩国等地顶尖大学担任学术与工业职位，现任广东大湾区集成电路与系统应用研究所（GIICS）首席科学家、法国CNRS名誉研究主任和南京邮电大学客座教授。在超过50年的职业生涯中，共撰写了1200多篇学术论文、39本专著和18项专利，指导了110多名博士，并发明了赝MOSFET电学表征技术（现已成为SOI晶圆工业检测标准），以及Z2-FET、G4-MOSFET和单晶体管存储单元等新型器件。他与Soitec、意法半导体、飞思卡尔等行业领导者合作，推动了实验室研究向工业应用的技术转移，对经济和社会产生了深远的影响。2017年，因在“绝缘体上硅技术和薄体器件”方面的卓越贡献，荣获IEEE Andrew S. Grove Award（微纳电子学领域的最高荣誉）。
郭宇锋，南京邮电大学教授、博士生导师，射频集成与微组装国家地方联合工程实验室常务副主任，兼任中国电子学会理事、中国电子学会电路与系统分会副主任委员，江苏省电子学会副理事长，江苏省集成电路学会副理事长。长期从事功率器件及其集成技术、射频集成电路设计和智能EDA等领域研究，主持完成30余项国家级和省部级项目，发表论文450余篇，出版教材6本，授权发明专利120余项，入选国家“万人计划”科技创新领军人才，获中国电子学会科技进步一等奖、国家教学成果二等奖等省部级以上教学科研奖励十余项。

目 录


第1章 FD-SOI技术1
1.1 用于FD-SOI的Smart-Cut1
1.1.1 基本原理1
1.1.2 详细机理2
1.1.3 FD-SOI晶圆的特性5
1.2 新型Smart-Cut结构5
1.2.1 应变SOI6
1.2.2 绝缘体上硅锗和
绝缘体上锗6
1.2.3 混合晶向技术（HOT）7
1.2.4 其他绝缘体上半导体7
1.2.5 备选埋层介质9
1.2.6 衬底工程9
1.3 其他SOI材料制备技术10
1.3.1 晶圆键合10
1.3.2 ELTRAN11
1.3.3 SIMOX和ITOX11
1.3.4 CELO12
1.3.5 来自档案的技术13
1.4 FD-SOI的CMOS技术15
1.4.1 基本的CMOS工序15
1.4.2 先进制造模块15
1.5 FD-SOI电路及产品17
1.5.1 射频芯片17
1.5.2 低功耗芯片18
1.5.3 数字芯片19
1.5.4 智能功率20
1.5.5 混合集成光芯片20
1.5.6 3D芯片21
1.5.7 纳米机电系统22
参考文献23
第2章 耦合效应27
2.1 基本方程27
2.2 界面耦合28
2.2.1 Lim和Fossum模型28
2.2.2 阈值电压调节30
2.2.3 亚阈值摆幅30
2.2.4 跨导32
2.3 超耦合34
2.3.1 理论背景34
2.3.2 实验验证36
2.3.3 意义37
2.4 体区反型37
2.4.1 概念37
2.4.2 实验验证39
2.5 虚拟双栅工作41
2.5.1 强反型41
2.5.2 弱反型41
2.6 迁移率耦合效应42
2.6.1 迁移率调节42
2.6.2 多分支迁移率43
2.7 衬底耗尽44
2.8 SOI FinFET耦合效应45
参考文献46
第3章 尺寸微缩效应50
3.1 阈值电压滚降50
3.2 漏致势垒降低效应53
3.3 漏致虚拟衬底偏置54
3.4 迁移率坍塌56
3.4.1 扩展的点缺陷57
3.4.2 准弹道输运58
3.4.3 可变串联电阻59
3.4.4 横向电场60
3.5 高场输运61
3.5.1 速度饱和61
3.5.2 速度过冲62
3.5.3 弹道晶体管63
3.6 其他的短沟道效应65
3.6.1 增强的超耦合65
3.6.2 阈值电压滚降的高估67
3.6.3 源漏直接隧穿68
3.6.4 应变69
3.6.5 从部分耗尽到
全耗尽的过渡71
3.6.6 静电掺杂降低串联电阻72
3.7 薄膜减薄73
3.7.1 阈值电压的量子效应73
3.7.2 迁移率75
3.8 窄沟道效应78
参考文献79
第4章 浮体效应85
4.1 翘曲效应85
4.2 迟滞和锁存88
4.3 寄生双极型晶体管89
4.4 栅致浮体效应91
4.5 亚稳态下降94
4.6 瞬态效应98
4.7 无名效应99
参考文献101
第5章 赝MOSFET103
5.1 基本原理103
5.2 FD-SOI相关细节105
5.2.1 探针压力105
5.2.2 几何因子106
5.2.3 界面陷阱107
5.2.4 阈值电压108
5.2.5 载流子迁移率109
5.3 分离电容和电导110
5.3.1 分离电容和
有效迁移率110
5.3.2 频率对电容和
电导的影响111
5.3.3 准静态电容112
5.4 低频噪声114
5.5 磁阻115
5.6 赝MOSFET的其他领域117
5.6.1 赝MOSFET在图像采集
方面的应用117
5.6.2 赝MOSFET的
低温特性117
5.6.3 点接触范德堡法118
5.6.4 SHG技术119
5.7 应用120
5.7.1 晶圆的在线检验120
5.7.2 辐射效应121
5.7.3 重掺杂薄膜122
5.7.4 新型材料124
5.7.5 光电传感器126
5.7.6 生化传感器127
参考文献128
第6章 二极管的表征方法132
6.1 栅控PIN二极管中的分离电容132
6.1.1 原理132
6.1.2 阈值电压提取134
6.1.3 厚度评估135
6.1.4 超薄FD-SOI的实现135
6.2 PIN二极管的瞬态反向恢复137
6.3 双栅PIN二极管的寿命评估139
6.4 电荷泵141
6.4.1 基本原理141
6.4.2 发展142
6.4.3 FD-SOI中的背偏效应143
6.4.4 超薄FD-SOI144
参考文献146
第7章 FD-SOI MOSFET的表征方法148
7.1 基本方法148
7.1.1 漏极电流的线性外推149
7.1.2 最大跨导法149
7.1.3 固定电流法149
7.2 Y方程法150
7.3 McLarty技术151
7.4 分离电容153
7.5 漏极电流的二阶导数156
7.6 跨导电流比158
7.7 几何磁阻159
7.7.1 方法159
7.7.2 技术评估161
7.7.3 非普适迁移率162
7.7.4 迁移率频谱分析163
7.7.5 FinFET中的磁阻164
7.8 低频噪声和波动164
7.8.1 噪声模型164
7.8.2 FD-SOI MOSFET
中的噪声168
7.8.3 有争议的闪烁噪声的
起源169
7.9 SOI FinFET的沟道分离171
7.10 三维多沟道晶体管的表征172
参考文献173
第8章 静电掺杂及相关器件177
8.1 概念177
8.2 通过功函数调整的静电掺杂178
8.2.1 基础178
8.2.2 电荷-等离子体器件179
8.3 可编程肖特基接触180
8.4 虚拟FD-SOI二极管183
8.4.1 基本特征183
8.4.2 详细说明185
8.4.3 Esaki二极管186
8.4.4 改进结构187
8.5 其他静电掺杂FD-SOI器件189
8.5.1 虚拟光电二极管189
8.5.2 I-MOS：碰撞电离
MOSFET189
8.5.3 静电掺杂LDMOS190
8.5.4 栅控二极管串联NMOS192
8.5.5 电子-空穴双层器件193
参考文献194
第9章 能带调控器件197
9.1 稳态特性197
9.2 建模199
9.2.1 物理模型199
9.2.2 紧凑模型201
9.2.3 优化趋势205
9.3 Z2-FET无电容存储器206
9.3.1 存储操作206
9.3.2 详细机制207
9.3.3 性能208
9.4 其他应用210
9.4.1 快速逻辑开关210
9.4.2 静电泄漏保护211
9.4.3 光电探测213
9.4.4 生物传感器214
9.5 Z3-FET及其他改进结构215
9.5.1 双接地平面Z2-FET215
9.5.2 部分掺杂Z2-FET216
9.5.3 场效应二极管216
9.5.4 基于FinFET的
反馈晶体管217
9.5.5 Z3-FET217
参考文献219
第10章 新兴器件222
10.1 浮体存储器（1T-DRAM）222
10.1.1 通用内存机制222
10.1.2 Z-RAM223
10.1.3 产业原型224
10.1.4 特殊结构225
10.1.5 MSDRAM226
10.1.6 A2RAM227
10.1.7 统一存储器230
10.2 隧穿场效应晶体管（TFET）232
10.2.1 点隧穿232
10.2.2 线性隧穿234
10.2.3 纯硼TFET235
10.2.4 双极增强型隧穿场效应
晶体管235
10.3 可替代的快速开关器件236
10.3.1 具有电阻式开关栅极
或源极的晶体管236
10.3.2 铁电晶体管237
10.3.3 纳米机电晶体管238
10.3.4 超晶格晶体管240
10.3.5 几何电流放大器240
10.4 四栅晶体管242
10.4.1 电流-电压特性242
10.4.2 模型244
10.4.3 应用246
10.5 无结场效应晶体管249
10.5.1 特性250
10.5.2 尺寸缩小251
10.6 纳米线和量子器件251
10.7 BIMOS和尖峰神经元254
参考文献255
FD-SOI谜题262