单层GaTe电子结构特性及其场效应管的第一性原理研究

发布时间：2020-06-11 20:42

【摘要】：随着电子工业的快速发展,硅基电子元器件的特征长度将趋于物理极限。为了促进器件的发展,微电子器件特征尺寸已进入纳米量级,器件的性能得到很大的提升,但同时也面临着严重的挑战,如短沟道效应引起亚阈值斜率和隧穿电流的增加,衬底高掺杂而导致载流子迁移率的退化等。为了解决这些问题并进一步提高小尺寸器件的性能,需要寻找合适带隙、高迁移率和表面无悬挂键的超薄沟道材料。III-VI族二维镓族材料GaTe由于其独特的光电特性有望成为未来超高速、低功耗器件的理想沟道材料。本文基于第一性原理计算分析了基底和应力对结构转变后单层GaTe的几何结构、电子结构以及稳定性的影响,在此基础上,进一步仿真模拟了单层GaTe双栅金属-氧化物-半导体场效应晶体管的电学性能。主要内容如下:(1)系统研究了单层GaTe在H-Si(111)、H-Ge(111)以及Cu(111)、Ag(111)、Au(111)等五种基底上的生长情况。通过电子结构、成键方式以及稳定性的研究,发现单层GaTe在H-Si(111)上的生长并不稳定,但在其余四种基底上可以稳定生长。单层GaTe与H-Ge(111)结合形成的体系仍为半导体,而与金属物质相接触时体系呈现出金属性质。单层GaTe与基底间的结合方式为范德瓦耳斯力,且体系的能带主要由基底决定。(2)在应力调控的研究中,探讨了不同方向不同程度的应力对单层GaTe能带结构、弹性常数、形变势、有效质量和载流子迁移率的影响。研究结果表明:在a方向施加应力时,其带隙类型仍为间接带隙,但带隙值随着应力的增大而减小;在b方向施加3%的压应变时,带隙转变为直接带隙并且其值减少为1.31 eV,沿b方向电子迁移率达到824 cm~2/(V·s),空穴迁移率为493 cm~2/(V·s);在a-b方向施加2%的压应变时,沿b方向的电子迁移率可达到91798 cm~2/(V·s)。(3)利用ATK(Atomistix ToolKit)软件对单层GaTe双栅金属-氧化物-半导体场效应晶体管电学特性进行了模拟仿真。研究发现:器件左右两边电极区域合适的掺杂浓度可增加开关电流比和降低亚阈值斜率,当掺杂浓度为3.23×10~(13) cm~(-2)时器件的电性能较优;沟道长度也会影响器件的电学性能,当掺杂浓度一定时,沟长为7 nm器件的性能较佳;沟道材料施加2%的双轴压应变后,晶体管的开关电流比增大并且亚阈值斜率减少,尤其对于沟道为6 nm的器件,其性能得到了较大改善,开关电流比符合国际半导体技术路线发展蓝图。
【图文】：

示意图,场效应晶体管,示意图,肖特基势垒

Lehrer 在 GaAs 衬底上制作出金属 - 半导体场效应晶体管 (Metal Epitaxial-Semiconductor Field-Effect Transistor, MESFET)，如图 1-1(c)所示，其主要特点是沟道与金属栅极直接接触形成肖特基势垒。1980 年，Minura 等人发明了异质结场效应晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)，这种场效应晶体管与MOSFET 类似，只是 MOSFET 中的氧化层被禁带较宽的半导体材料所代替。十八年后，，IBM 公司与日本 NEC 公司合作共同研制出碳纳米管场效应晶体管，这种晶体管属于肖特基势垒场效应晶体管(Schottky Barrier Field-Effect Transistor,SBFET)[1]224-304，如图 1-1(d)所示，与 MOSFET 相比，电极区为金属且不需要进行高掺杂，因而工艺制备较简单。如今，场效应晶体管已是大量电子器件的基本元件。(a) (b)

示意图,块体,晶体结构

[15]。图1-2 (a)块体MoS2的晶体结构图[13]148；(b) MoS2FET的立体结构示意图[13]148；(c)1 nm栅长MoS2FET示意图[20]99由于MoS2具有合适的带隙，2007年，Ayari等人首次制备出薄层MoS2场效应晶体管，其载流子迁移率为10cm2/(V·s)，开关电流比为105[16]，然而其性能指标并不理想。2011年，Radisavljevic等人通过机械剥离法得到单层MoS2并转移到SiO2/Si衬底上，然后通过原子层沉积得到30 nm厚的HfO2栅介质
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

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