【摘要】：隨著半導(dǎo)體制造加工技術(shù)的不斷發(fā)展,MOSFET的特征尺寸也隨之減小到納米數(shù)量級(jí),納米MOSFET開(kāi)始出現(xiàn)一系列量子效應(yīng)。研究必須考慮建立新的輸運(yùn)方程來(lái)更好的和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,前人在這方面做出了很多的工作和努力,在本文中主要介紹了在納米器件數(shù)值仿真模擬的中主要的介觀輸運(yùn)理論:Landauer-Büttiker電流公式和NEGF理論。近些年來(lái),二維材料TMDC由于其獨(dú)特的可被剝離成二維類(lèi)石墨烯結(jié)構(gòu)的特性以及它們良好的靜電特性得到人們的廣泛關(guān)注。其中一些單層的TMDC材料因其具有較大的本征帶隙,可制作高開(kāi)關(guān)比、低功耗的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在極小尺寸的納米MOSFET中,可以采用多柵結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)柵極對(duì)MOSFET器件溝道的控制能力,減小短溝道效應(yīng)對(duì)器件性能的影響。本文在分析二維材料在納米MOSFET的中的彈道輸運(yùn)機(jī)理的基礎(chǔ)上,,通過(guò)對(duì)溝道為二維材料半導(dǎo)體的器件進(jìn)行電子輸運(yùn)性質(zhì)的仿真,為二維材料納米MOSFET的電子輸運(yùn)物理機(jī)制提供一些有價(jià)值的理論支持和參考。首先,構(gòu)建納米MOSFET的NEGF模型,進(jìn)行納米MOSFET的量子建模,通過(guò)研究模型中的主要參數(shù)對(duì)其輸運(yùn)特性的影響,分析器件所需的縱向結(jié)構(gòu)參量(柵氧化層介電常數(shù)及其厚度等)和橫向結(jié)構(gòu)參量(不同溝道長(zhǎng)度和摻雜濃度等)對(duì)其的影響,將所涉及的器件進(jìn)行優(yōu)化得到所需的最優(yōu)參數(shù)。本文發(fā)現(xiàn),在仿真溝道長(zhǎng)度在5 nm以下的在雙柵結(jié)構(gòu)納米MOSFET中,可以采用摻雜濃度摩爾分?jǐn)?shù)為:0.005和0.01。對(duì)于柵氧化層適宜選取介電常數(shù)相對(duì)較高的高K材料例如HfO_2,其厚度可以選擇我2 nm。其次,本文對(duì)比了傳統(tǒng)的MOSFET與無(wú)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JLFET)的電學(xué)特性,研究發(fā)現(xiàn)JLFET由于其在溝道上沒(méi)有PN結(jié)的結(jié)構(gòu),漏端電壓對(duì)其溝道耗盡區(qū)的影響較弱,因此JLFET的DIBL因子較小,短溝道效應(yīng)對(duì)器件的影響比傳統(tǒng)的MOSFET更小,亞閾區(qū)擺幅表現(xiàn)也更加良好。當(dāng)選取溝道長(zhǎng)度為5 nm的JLFET和傳統(tǒng)MOSFET進(jìn)行對(duì)比仿真可以得到,JLFET的亞閾區(qū)擺幅為81 mV/dec,而傳統(tǒng)MOSFET的約為97 mV/dec。同時(shí),本文基于溝道長(zhǎng)度在5 nm及以下的JLFET和隧穿型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFET)研究了不同有效質(zhì)量和能帶帶隙對(duì)器件的影響,旨在找到在溝道長(zhǎng)度在5nm及以下的納米場(chǎng)效應(yīng)晶體管中性能表現(xiàn)優(yōu)異的溝道材料。本文發(fā)現(xiàn),在14種化合物中,MoX_2(X=S、Se和Te)可用于JLFET器件中,對(duì)于5 nm的溝道長(zhǎng)度,這幾種化合物的JLFET的亞閾區(qū)擺幅可以減小到大約為70m V/dec;對(duì)于3nm,則可以減小到約80mV/dec;開(kāi)關(guān)電流比也可達(dá)到5×10~4;延遲減小到7 ps,并且PDP小于18 fJ/μm,實(shí)現(xiàn)良好的亞閾區(qū)擺幅和開(kāi)關(guān)電流比。在TFET數(shù)值仿真中,為了使泄漏電流降低到I_(OFF)=10-5μA/μm,利用這些材料參數(shù)可以得到當(dāng)有效質(zhì)量為0.35-0.5 m_0之間,能帶帶隙在0.6 V-1.0 V之間的二維材料TFET能達(dá)到目標(biāo)。即ZrSe_2可用于TFET中將泄漏電流減小到電路級(jí)仿真的目標(biāo)泄漏電流范圍內(nèi)。最后,本文研究了利用基于從頭計(jì)算的多尺度模擬包的納米器件性能的通用仿真框架,該框架結(jié)合了幾個(gè)強(qiáng)大且廣泛使用的開(kāi)源代碼,基于密度泛函理論計(jì)算得到的最小但化學(xué)上精確的緊束縛哈密頓量,并使用最大局部化Wannier函數(shù)來(lái)表示電子態(tài)。然后在非平衡格林函數(shù)形式中計(jì)算輸運(yùn)性質(zhì)。
【圖文】：

課題的研究背景和意義1 傳統(tǒng) MOSFET 的發(fā)展及其面臨的問(wèn)題美國(guó)的三位科學(xué)家 John Bardeen，William Shockley，Walter Brattain 在2 月于美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功制作出了第一個(gè)晶體管。之后隨著科技的發(fā)們提出了關(guān)于實(shí)現(xiàn)電路功能的元器件集成在半導(dǎo)體晶片上的設(shè)想，德克公司(TI)的 JackKilby 等人根據(jù)上述設(shè)想在 1958 年首次得到第一塊實(shí)現(xiàn)的集成電路[1]，從而進(jìn)一步促進(jìn)了半導(dǎo)體的發(fā)展。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，，改變了現(xiàn)代社會(huì)人們的生活方式，們的日常生活中，微型化、智能化、移動(dòng)化的電子設(shè)備已經(jīng)完全融入到的各個(gè)方面。圖 1-1 表示的是電子器件隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展其尺寸日益型化趨勢(shì)圖，電子器件的尺寸從上個(gè)世紀(jì)的毫米級(jí)尺寸降低到如今的納，圖中器件按照年份的順序從左往右排列依次為：第一類(lèi)晶體管、量子鐵原子“量子圍欄”、碳納米管晶體管和單個(gè)原子點(diǎn)接觸[2]。而支持這些發(fā)展的硬件基本條件是半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步。

圖 1-2 MoS2材料的幾何構(gòu)型結(jié)構(gòu)器件件溝道區(qū)的長(zhǎng)度減小到可以和源漏 PN 結(jié)的耗盡層的寬度相比的控制能力降低導(dǎo)致器件不能在很小的電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速的的 MOSFET 受到短溝道效應(yīng)的影響將越來(lái)越明顯。以 N 型 M當(dāng)柵電極上加載負(fù)電壓時(shí)，柵極將吸引多子空穴到柵氧化層-溝面處形成多子的積累，此時(shí)在溝道幾乎沒(méi)有導(dǎo)電的載流子，器當(dāng)柵電極上的電壓逐漸由負(fù)增加到正時(shí)，少子電子被吸引至柵，溝道表面出現(xiàn)反型，當(dāng)柵極電壓繼續(xù)增加，溝道表面出現(xiàn)強(qiáng)大量的可移動(dòng)的電子，形成電子溝道，此時(shí)加上在漏極和源極生漏極電流，器件開(kāi)啟。但當(dāng)器件進(jìn)入納米尺寸時(shí)，平面柵的短溝道效應(yīng)的影響越來(lái)越大，其柵極控制能力受其影響而減弱低，并且在關(guān)斷狀態(tài)下，會(huì)出現(xiàn)顯著的泄漏電流[19]。在極小尺寸多柵結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)柵極對(duì)器件溝道的控制能力，抑制短溝道下的
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN386

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本文編號(hào)：2614901