基于二维半导体的纳米晶体管仿真与设计

发布时间：2020-04-05 10:32

【摘要】：随着半导体制造加工技术的不断发展,MOSFET的特征尺寸也随之减小到纳米数量级,纳米MOSFET开始出现一系列量子效应。研究必须考虑建立新的输运方程来更好的和实验结果吻合,前人在这方面做出了很多的工作和努力,在本文中主要介绍了在纳米器件数值仿真模拟的中主要的介观输运理论:Landauer-Büttiker电流公式和NEGF理论。近些年来,二维材料TMDC由于其独特的可被剥离成二维类石墨烯结构的特性以及它们良好的静电特性得到人们的广泛关注。其中一些单层的TMDC材料因其具有较大的本征带隙,可制作高开关比、低功耗的场效应晶体管。在极小尺寸的纳米MOSFET中,可以采用多栅结构来增强栅极对MOSFET器件沟道的控制能力,减小短沟道效应对器件性能的影响。本文在分析二维材料在纳米MOSFET的中的弹道输运机理的基础上,,通过对沟道为二维材料半导体的器件进行电子输运性质的仿真,为二维材料纳米MOSFET的电子输运物理机制提供一些有价值的理论支持和参考。首先,构建纳米MOSFET的NEGF模型,进行纳米MOSFET的量子建模,通过研究模型中的主要参数对其输运特性的影响,分析器件所需的纵向结构参量(栅氧化层介电常数及其厚度等)和横向结构参量(不同沟道长度和掺杂浓度等)对其的影响,将所涉及的器件进行优化得到所需的最优参数。本文发现,在仿真沟道长度在5 nm以下的在双栅结构纳米MOSFET中,可以采用掺杂浓度摩尔分数为:0.005和0.01。对于栅氧化层适宜选取介电常数相对较高的高K材料例如HfO_2,其厚度可以选择我2 nm。其次,本文对比了传统的MOSFET与无结型场效应晶体管(JLFET)的电学特性,研究发现JLFET由于其在沟道上没有PN结的结构,漏端电压对其沟道耗尽区的影响较弱,因此JLFET的DIBL因子较小,短沟道效应对器件的影响比传统的MOSFET更小,亚阈区摆幅表现也更加良好。当选取沟道长度为5 nm的JLFET和传统MOSFET进行对比仿真可以得到,JLFET的亚阈区摆幅为81 mV/dec,而传统MOSFET的约为97 mV/dec。同时,本文基于沟道长度在5 nm及以下的JLFET和隧穿型场效应晶体管(TFET)研究了不同有效质量和能带带隙对器件的影响,旨在找到在沟道长度在5nm及以下的纳米场效应晶体管中性能表现优异的沟道材料。本文发现,在14种化合物中,MoX_2(X=S、Se和Te)可用于JLFET器件中,对于5 nm的沟道长度,这几种化合物的JLFET的亚阈区摆幅可以减小到大约为70m V/dec;对于3nm,则可以减小到约80mV/dec;开关电流比也可达到5×10~4;延迟减小到7 ps,并且PDP小于18 fJ/μm,实现良好的亚阈区摆幅和开关电流比。在TFET数值仿真中,为了使泄漏电流降低到I_(OFF)=10-5μA/μm,利用这些材料参数可以得到当有效质量为0.35-0.5 m_0之间,能带带隙在0.6 V-1.0 V之间的二维材料TFET能达到目标。即ZrSe_2可用于TFET中将泄漏电流减小到电路级仿真的目标泄漏电流范围内。最后,本文研究了利用基于从头计算的多尺度模拟包的纳米器件性能的通用仿真框架,该框架结合了几个强大且广泛使用的开源代码,基于密度泛函理论计算得到的最小但化学上精确的紧束缚哈密顿量,并使用最大局部化Wannier函数来表示电子态。然后在非平衡格林函数形式中计算输运性质。
【图文】：

课题的研究背景和意义1 传统 MOSFET 的发展及其面临的问题美国的三位科学家 John Bardeen，William Shockley，Walter Brattain 在2 月于美国贝尔实验室成功制作出了第一个晶体管。之后随着科技的发们提出了关于实现电路功能的元器件集成在半导体晶片上的设想，德克公司(TI)的 JackKilby 等人根据上述设想在 1958 年首次得到第一块实现的集成电路[1]，从而进一步促进了半导体的发展。随着半导体产业的快在现代生活中的应用范围越来越广，，改变了现代社会人们的生活方式，们的日常生活中，微型化、智能化、移动化的电子设备已经完全融入到的各个方面。图 1-1 表示的是电子器件随着半导体技术发展其尺寸日益型化趋势图，电子器件的尺寸从上个世纪的毫米级尺寸降低到如今的纳，图中器件按照年份的顺序从左往右排列依次为：第一类晶体管、量子铁原子“量子围栏”、碳纳米管晶体管和单个原子点接触[2]。而支持这些发展的硬件基本条件是半导体工艺的进步。

图 1-2 MoS2材料的几何构型结构器件件沟道区的长度减小到可以和源漏 PN 结的耗尽层的宽度相比的控制能力降低导致器件不能在很小的电压范围内实现快速的的 MOSFET 受到短沟道效应的影响将越来越明显。以 N 型 M当栅电极上加载负电压时，栅极将吸引多子空穴到栅氧化层-沟面处形成多子的积累，此时在沟道几乎没有导电的载流子，器当栅电极上的电压逐渐由负增加到正时，少子电子被吸引至栅，沟道表面出现反型，当栅极电压继续增加，沟道表面出现强大量的可移动的电子，形成电子沟道，此时加上在漏极和源极生漏极电流，器件开启。但当器件进入纳米尺寸时，平面栅的短沟道效应的影响越来越大，其栅极控制能力受其影响而减弱低，并且在关断状态下，会出现显著的泄漏电流[19]。在极小尺寸多栅结构来增强栅极对器件沟道的控制能力，抑制短沟道下的
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

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本文编号：2614901