沟道长度及源/漏区掺杂浓度对MOS-CNTFET输运特性的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com) 辽宁大学物理学院 作者:刘兴辉

  碳纳米管场效应晶体管电子输运性质是其结构参量( 纵向结构参量: 如CNT 的直径、栅介质层厚度、介质介电常数等; 横向结构参量: 如沟道长度、源/漏区掺杂浓度等) 的复杂函数。本论文在量子力学非平衡格林函数理论框架内,通过自洽求解泊松方程和薛定谔方程以得到MOS-CNTFET 电子输运特性。在此基础上系统地研究了沟道长度及源/漏区掺杂浓度对MOS-CNTFET 器件的漏极导通电流、关态泄漏电流、开关态电流比、阈值电压、亚阈值摆幅及双极性传导等输运性质的影响。结果表明: 当沟道长度在15 nm 以上时,上述各性质受沟道长度的影响均较小,而导通电流、开关态电流比及双极性传导特性与源/漏掺杂浓度的大小有关,开关态电流比与掺杂浓度正相关,导通电流及双极性导电特性与源/漏掺杂浓度负相关。当沟道长度小于15 nm 时,随沟道长度减小,漏极导通电流呈增加趋势,但同时导致器件阈值电压及开关电流比减小,关态漏电流及亚阈值摆幅增大且双极性传导现象严重,短沟道效应增强,此时,通过适当降低源/漏掺杂区掺杂浓度,可一定程度地减弱MOS-CNTFET 器件短沟道效应。

  碳纳米管( Carbon nanotube,CNT) 自1991 年被发现以来,由于具有独特的准一维几何结构,对称的能带、直接带隙,以及其它优异的物理、化学性质掀起了世界范围的研究热潮。其中非常重要的一点,根据卷曲手性的不同,CNT 可分为金属型和半导体型。利用半导体型CNT 的电子输运特性可制作PN结、场效应晶体管( field-effect transistor,FET) 逻辑栅电路等。CNTFET 具有电子迁移率高,可实现弹

  道输运,跨导高、亚阈值摆幅小等优异特性,使其应用于纳米集成电路成为可能。

  根据CNTFET 源/漏端构建方式的不同,CNT 与源/漏电极之间的接触可分为欧姆接触和肖特基接触两种,分别对应类MOS 碳纳米管场效应管(MOSCNTFET)及肖特基势垒碳纳米管场效应管( SB-CNFET)。其中,MOS-CNTFET 与SB-CNTFET 相比,通过将源/漏区重掺杂,使其增加了导通电流,减小了关态泄漏电流,减弱了双极性传导现象,从而具有了更好的器件性能,因此最近几年来受到了更大关注。MOS-CNTFET 输运特性是其结构的多参量复杂函数体系,结构参量包括纵向结构参量,如CNT的直径、栅介质层厚度、介质的介电常数等以及横向结构参量,如沟道长度、源/漏区掺杂浓度等。结构参数选取的不同,MOS-CNTFET 器件所表现出的性能就会有所不同。因而,需要更多地关注如何合理选择MOS-CNTFET 的结构参量,以对器件的速度、功耗、面积等因素做折中的考虑或是侧重提高其中某一方面性能。

  在已有的研究工作中,文献研究了CNT 的直径、栅介质层厚度、介电常数等对MOS-CNTFET 器件性能的影响。文献研究了沟道长度对器件导通电流、亚阈值斜率、漏致势垒降低效应的影响,但局限于实验观察。总体来看,缺乏系统地研究沟道长度和源/漏区掺杂浓度对MOS-CNTFET 器件性能的影响。而且,随着具体器件制造水平的不断提高,已有报道,CNTFET 的沟道长度已可小于20 nm。基于此,本文重点从理论上分析沟道尺寸缩小到25nm 以下( 5~ 25 nm) 时,沟道长度和源/漏区的掺杂浓度对MOS-CNTFET 器件短沟道效应的若干因素的影响,因为短沟道效应出现将导致器件功耗增加,性能变差。

  由于纳米电子器件中量子效应明显,电子器件处于非平衡态,因此处理纳米器件中电子输运问题,运用非平衡格林函数( Non-equilibrium Green Function,NEGF) 理论是该领域公认合理的建模方法。本文基于NEGF 理论,系统地分析了沟道长度以及源/漏区掺杂浓度对MOS-CNTFET 器件的漏极导通电流、阈值电压、漏极关断电流、开关态电流比、亚阈值摆幅及双极性传导等输运性质的影响。

1、器件模型结构

  模拟中所采用的MOS-CNTFET 的几何结构如图1 所示。CNT 选取具有半导体性的手性为( 17,0) 的锯齿型管。固定源/漏区长度各为20 nm,源/漏区采用N 型均匀重掺杂构成,掺杂浓度为0.5~ 2.5nm- 1( CNT 中碳原子浓度为每纳米4n/3acc 个原子) ,本征沟道区长度取为5~ 25 nm。栅介质层及栅电极均采用柱状环绕CNT 沟道结构,栅介质采用ZrO2 高K 材料,其相对介电常数为25,介质材料环绕整个CNT 表面,其厚度为2 nm。栅电极环绕整个本征沟道区。

同轴环绕栅MOS-CNTFET 的几何结构

图1 同轴环绕栅MOS-CNTFET 的几何结构

结论

  利用量子力学中的NEGF 方法,通过自洽求解泊松方程和薛定谔方程,对MOS-CNTFET 器件的输运性质进行建模。依此模型重点考查了在沟道长度为5~ 25 nm 尺度范围内沟道长度和源/漏区掺杂浓度对MOS-CNTFET 器件的导通电流、关态泄漏电流、开关态电流比、阈值电压、亚阈值摆幅及双极性传导等输运性质的影响,同时给出了合理的解释。研究结果表明在文中所给模型参数的条件下,在沟道长度为15 nm 以上,MOS-CNTFET 的短沟道效应不明显,而当沟道长度减小到15 nm 以下,电流开关比开始下降,亚阈值摆幅开始增加,当沟道长度小到10nm 左右时,器件的关态电流明显增加、阈值电压迅速减小,开始表现出短沟道效应。而从源/漏掺杂浓度的角度来看,从SB-CNTFET 结构发展到MOSCNTFET结构,就是通过将源/漏区重掺杂,才增加了导通电流,减小了关态泄漏电流,减弱了双极性传导现象,使其比SB-CNTFET 具有更好的器件性能,但是当器件的尺寸缩小到15 nm 甚至10 nm 以下时,源/漏掺杂浓度过高反而会导致短沟道效应变得严重,器件性能变差。说明只有通过合理选择沟道长度及源/漏掺杂浓度才能一定程度地改善MOSCNTFET器件性能。本研究为实验上制备小尺寸MOS-CNTFET 器件起到一定的帮助与指导作用。

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