【摘要】：隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展,硅基電子元器件的特征長(zhǎng)度將趨于物理極限。為了促進(jìn)器件的發(fā)展,微電子器件特征尺寸已進(jìn)入納米量級(jí),器件的性能得到很大的提升,但同時(shí)也面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn),如短溝道效應(yīng)引起亞閾值斜率和隧穿電流的增加,襯底高摻雜而導(dǎo)致載流子遷移率的退化等。為了解決這些問(wèn)題并進(jìn)一步提高小尺寸器件的性能,需要尋找合適帶隙、高遷移率和表面無(wú)懸掛鍵的超薄溝道材料。III-VI族二維鎵族材料GaTe由于其獨(dú)特的光電特性有望成為未來(lái)超高速、低功耗器件的理想溝道材料。本文基于第一性原理計(jì)算分析了基底和應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后單層GaTe的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定性的影響,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步仿真模擬了單層GaTe雙柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能。主要內(nèi)容如下:(1)系統(tǒng)研究了單層GaTe在H-Si(111)、H-Ge(111)以及Cu(111)、Ag(111)、Au(111)等五種基底上的生長(zhǎng)情況。通過(guò)電子結(jié)構(gòu)、成鍵方式以及穩(wěn)定性的研究,發(fā)現(xiàn)單層GaTe在H-Si(111)上的生長(zhǎng)并不穩(wěn)定,但在其余四種基底上可以穩(wěn)定生長(zhǎng)。單層GaTe與H-Ge(111)結(jié)合形成的體系仍為半導(dǎo)體,而與金屬物質(zhì)相接觸時(shí)體系呈現(xiàn)出金屬性質(zhì)。單層GaTe與基底間的結(jié)合方式為范德瓦耳斯力,且體系的能帶主要由基底決定。(2)在應(yīng)力調(diào)控的研究中,探討了不同方向不同程度的應(yīng)力對(duì)單層GaTe能帶結(jié)構(gòu)、彈性常數(shù)、形變勢(shì)、有效質(zhì)量和載流子遷移率的影響。研究結(jié)果表明:在a方向施加應(yīng)力時(shí),其帶隙類型仍為間接帶隙,但帶隙值隨著應(yīng)力的增大而減小;在b方向施加3%的壓應(yīng)變時(shí),帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋恫⑶移渲禍p少為1.31 eV,沿b方向電子遷移率達(dá)到824 cm~2/(V·s),空穴遷移率為493 cm~2/(V·s);在a-b方向施加2%的壓應(yīng)變時(shí),沿b方向的電子遷移率可達(dá)到91798 cm~2/(V·s)。(3)利用ATK(Atomistix ToolKit)軟件對(duì)單層GaTe雙柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管電學(xué)特性進(jìn)行了模擬仿真。研究發(fā)現(xiàn):器件左右兩邊電極區(qū)域合適的摻雜濃度可增加開(kāi)關(guān)電流比和降低亞閾值斜率,當(dāng)摻雜濃度為3.23×10~(13) cm~(-2)時(shí)器件的電性能較優(yōu);溝道長(zhǎng)度也會(huì)影響器件的電學(xué)性能,當(dāng)摻雜濃度一定時(shí),溝長(zhǎng)為7 nm器件的性能較佳;溝道材料施加2%的雙軸壓應(yīng)變后,晶體管的開(kāi)關(guān)電流比增大并且亞閾值斜率減少,尤其對(duì)于溝道為6 nm的器件,其性能得到了較大改善,開(kāi)關(guān)電流比符合國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線發(fā)展藍(lán)圖。
【圖文】：

Lehrer 在 GaAs 襯底上制作出金屬 - 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (Metal Epitaxial-Semiconductor Field-Effect Transistor, MESFET)，如圖 1-1(c)所示，其主要特點(diǎn)是溝道與金屬柵極直接接觸形成肖特基勢(shì)壘。1980 年，Minura 等人發(fā)明了異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)，這種場(chǎng)效應(yīng)晶體管與MOSFET 類似，只是 MOSFET 中的氧化層被禁帶較寬的半導(dǎo)體材料所代替。十八年后，，IBM 公司與日本 NEC 公司合作共同研制出碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這種晶體管屬于肖特基勢(shì)壘場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Schottky Barrier Field-Effect Transistor,SBFET)[1]224-304，如圖 1-1(d)所示，與 MOSFET 相比，電極區(qū)為金屬且不需要進(jìn)行高摻雜，因而工藝制備較簡(jiǎn)單。如今，場(chǎng)效應(yīng)晶體管已是大量電子器件的基本元件。(a) (b)

[15]。圖1-2 (a)塊體MoS2的晶體結(jié)構(gòu)圖[13]148；(b) MoS2FET的立體結(jié)構(gòu)示意圖[13]148；(c)1 nm柵長(zhǎng)MoS2FET示意圖[20]99由于MoS2具有合適的帶隙，2007年，Ayari等人首次制備出薄層MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其載流子遷移率為10cm2/(V·s)，開(kāi)關(guān)電流比為105[16]，然而其性能指標(biāo)并不理想。2011年，Radisavljevic等人通過(guò)機(jī)械剝離法得到單層MoS2并轉(zhuǎn)移到SiO2/Si襯底上，然后通過(guò)原子層沉積得到30 nm厚的HfO2柵介質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN386

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本文編號(hào)：2708429