黑磷场效应管输运特性及其对构建电路的影响

发布时间：2020-10-27 02:12

　　 黑磷是新型二维半导体材料,可以有效的填补二维材料中零带隙石墨烯以及宽带隙的二硫化钼之间的空缺。在本论文中,我们将对黑磷MOS型场效应晶体管以及隧穿型场效应晶体管的器件结构、电子输运特性以及其构成电路性能进行分析。采用量子输运理论,基于非平衡格林函数和泊松方程自洽求解的方法,研究了场效应管的关键参数对于其输运特性的影响。通过本课题的研究,能够为将来黑磷场效应管的器件和电路设计提供理论依据。主要研究内容包括以下几个方面:(1)首先,研究了黑磷MOS型场效应晶体管(BP-FET)的基本输运特性,以及温度、器件尺寸、掺杂浓度对于BP-FET的输运特性的影响。研究结果表明:随着BP-FET栅长的增加,器件的关态电流越来越小、开关电流比越来越大,以及亚阈值特性有较好的改善;BP-FET在源漏区掺杂摩尔分数为0.006处取得了最高的开关电流比以及较低的关态电流;BP-FET在低温环境中具有良好的开关电流特性。(2)其次,研究了黑磷隧穿型场效应晶体管(BP-TFET)的输运特性。对不同氧化层介电常数、栅长、温度以及源漏区掺杂浓度对于器件输运特性的影响进行研究,并与二硫化钼隧穿型场效应管(MoS_2-TFET)的输运特性进行对比分析。研究结果表明,当栅长为6nm时,BP-TFET具有较低的关态电流以及较高的开关电流比,当栅长大于此尺寸时,BP-TFET对于栅长的变化不会产生明显变化;在掺杂摩尔分数为0.006时,BP-TFET的电学特性最为良好;BP-TFET在低温100K时取得最小的关态电流以及最高的开关电流比,在常温300K时具有最低的接近于理想值的亚阈值摆幅;MoS_2-TFET的开态电流受温度变化的变化幅度高于BP-TFET、在常温300K的情况下,两种器件的开关电流相近;BP-TFET的开态电流受栅长变化的影响较大。MoS_2-TFET在栅长为4nm、8nm时开态电流均大于BP-TFET的开态电流;当介电常数为29时,BP-TFET的开关电流比略小于MoS_2-TFET。本节提出了一种源漏区非对称掺杂策略,通过漏区的轻掺杂实现了更低的关态电流和更高的开关电流比,并通过电势分析了其物理机制。(3)最后,将BP-TFET运用到多种电路中以验证其逻辑功能的正确性。在构成的反相器电路中,对器件的性能进行综合性的评价,分析了电路的延迟、功率、PDP等。可以发现,在器件掺杂摩尔分数为0.005时PDP最低;当器件栅长为10 nm时,结合功耗和PDP可以发现器件性能最优。
【学位单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304;TN386
【部分图文】：

可用于制造高性能的高频器件。由于石墨烯电阻率比铜和银都要低，它也被应用于制造触摸屏、太阳能电池等[11]。 此外，由于石墨烯，这是传统的硅基器件所不具备的[12]，因此它可用于开发柔韧性高的。除了应用广泛，石墨烯可以通过化学气相沉积的方式来制备，这就大面积的制备。但因为没有带隙导致了其开关电流效应很不理想，降因此石墨烯在数字电路中的应用有着局限性[13-15]。该问题的解决方案用其他手段打开石墨烯的带隙，例如制作纳米带，但这不仅增加了工迁移率大幅下降[16-18]。因此在石墨烯被发现之后，寻找其他的具有合了研究的新热点。二硫化物(TMDC)是具有化学式 MX2的原子级薄材料，其中具有代2结构式中的 M 指的是过渡金属元素，X 指的是硫元素，这是一个石墨烯的结构是在同一平面内，而二硫化钼的原子结构与石墨烯不层是 Mo 原子，两边层是 S 原子，这种结构导致了单层二硫化钼的

一层薄的钼源，再将硫蒸气(固态硫源加热而来)用氮气吹扫引入应生成二硫化钼。用这种方法可以制得大面积的二硫化钼晶体[24-性能上来看，石墨烯虽然具备良好的迁移率，但是因为没有带隙逻辑电路中[27-28]。二硫化钼晶体管性能十分优秀，但是其只具备移率也不高，并不能达到现代商用硅基器件的水准[31-34]。因此，移率较大的半导体成为重要课题。新型二维半导体材料——黑磷被 3 个课题组几乎同时报道出来[29-30半导体材料，具备双极导电性能并以空穴导电为主(P 型)。其具的禁带宽度约为 0.3eV。从导电性上看，黑磷具有较大的迁移率且带角度来看，黑磷填补了零带隙石墨烯和宽带隙二硫化钼之间的与石墨类似，为层状材料，每层间靠范德华力相互吸引堆垛。黑元素层状结构，如图所示，图 1.2 中分别为黑磷的 Armchair 方向和为垂面方向。

然而当器件的尺寸小于 30nm 之后，也就是进入了量子力学范围时，应问题。薛定谔方程在器件模拟中非常准确，但它在使用过程中存在许性，收敛问题等。在器件的实际传输过程中，散射效应也会产生影响理论无法满足小尺寸的器件仿真要求。ndauer-Büttiker 输运理论和非平衡格林函数为量子输运理论中比较常见tiker 输运理论是将微观层面透射系数和宏观层面的电导相结合。非平衡以用来描述量子系统中的各种量子效应以及粒子之间的相互作用。uer-Buttiker 方程典理论可知，在存在大量的严格假设的前提下可以利用玻尔兹曼方程函数，但是由于半经典理论的计算方式特别复杂，所以文章提tiker 方程代替玻尔兹曼方程来获取载流子的分布函数[52]。
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本文编号：2857867