黑磷是新型二維半導(dǎo)體材料,可以有效的填補(bǔ)二維材料中零帶隙石墨烯以及寬帶隙的二硫化鉬之間的空缺。在本論文中,我們將對(duì)黑磷MOS型場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及隧穿型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件結(jié)構(gòu)、電子輸運(yùn)特性以及其構(gòu)成電路性能進(jìn)行分析。采用量子輸運(yùn)理論,基于非平衡格林函數(shù)和泊松方程自洽求解的方法,研究了場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于其輸運(yùn)特性的影響。通過本課題的研究,能夠?yàn)閷砗诹讏?chǎng)效應(yīng)管的器件和電路設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(1)首先,研究了黑磷MOS型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(BP-FET)的基本輸運(yùn)特性,以及溫度、器件尺寸、摻雜濃度對(duì)于BP-FET的輸運(yùn)特性的影響。研究結(jié)果表明:隨著BP-FET柵長(zhǎng)的增加,器件的關(guān)態(tài)電流越來越小、開關(guān)電流比越來越大,以及亞閾值特性有較好的改善;BP-FET在源漏區(qū)摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.006處取得了最高的開關(guān)電流比以及較低的關(guān)態(tài)電流;BP-FET在低溫環(huán)境中具有良好的開關(guān)電流特性。(2)其次,研究了黑磷隧穿型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(BP-TFET)的輸運(yùn)特性。對(duì)不同氧化層介電常數(shù)、柵長(zhǎng)、溫度以及源漏區(qū)摻雜濃度對(duì)于器件輸運(yùn)特性的影響進(jìn)行研究,并與二硫化鉬隧穿型場(chǎng)效應(yīng)管(MoS_2-TFET)的輸運(yùn)特性進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明,當(dāng)柵長(zhǎng)為6nm時(shí),BP-TFET具有較低的關(guān)態(tài)電流以及較高的開關(guān)電流比,當(dāng)柵長(zhǎng)大于此尺寸時(shí),BP-TFET對(duì)于柵長(zhǎng)的變化不會(huì)產(chǎn)生明顯變化;在摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.006時(shí),BP-TFET的電學(xué)特性最為良好;BP-TFET在低溫100K時(shí)取得最小的關(guān)態(tài)電流以及最高的開關(guān)電流比,在常溫300K時(shí)具有最低的接近于理想值的亞閾值擺幅;MoS_2-TFET的開態(tài)電流受溫度變化的變化幅度高于BP-TFET、在常溫300K的情況下,兩種器件的開關(guān)電流相近;BP-TFET的開態(tài)電流受柵長(zhǎng)變化的影響較大。MoS_2-TFET在柵長(zhǎng)為4nm、8nm時(shí)開態(tài)電流均大于BP-TFET的開態(tài)電流;當(dāng)介電常數(shù)為29時(shí),BP-TFET的開關(guān)電流比略小于MoS_2-TFET。本節(jié)提出了一種源漏區(qū)非對(duì)稱摻雜策略,通過漏區(qū)的輕摻雜實(shí)現(xiàn)了更低的關(guān)態(tài)電流和更高的開關(guān)電流比,并通過電勢(shì)分析了其物理機(jī)制。(3)最后,將BP-TFET運(yùn)用到多種電路中以驗(yàn)證其邏輯功能的正確性。在構(gòu)成的反相器電路中,對(duì)器件的性能進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià),分析了電路的延遲、功率、PDP等�？梢园l(fā)現(xiàn),在器件摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.005時(shí)PDP最低;當(dāng)器件柵長(zhǎng)為10 nm時(shí),結(jié)合功耗和PDP可以發(fā)現(xiàn)器件性能最優(yōu)。
【學(xué)位單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN304;TN386
【部分圖文】：

可用于制造高性能的高頻器件。由于石墨烯電阻率比銅和銀都要低，它也被應(yīng)用于制造觸摸屏、太陽能電池等[11]。 此外，由于石墨烯，這是傳統(tǒng)的硅基器件所不具備的[12]，因此它可用于開發(fā)柔韌性高的。除了應(yīng)用廣泛，石墨烯可以通過化學(xué)氣相沉積的方式來制備，這就大面積的制備。但因?yàn)闆]有帶隙導(dǎo)致了其開關(guān)電流效應(yīng)很不理想，降因此石墨烯在數(shù)字電路中的應(yīng)用有著局限性[13-15]。該問題的解決方案用其他手段打開石墨烯的帶隙，例如制作納米帶，但這不僅增加了工遷移率大幅下降[16-18]。因此在石墨烯被發(fā)現(xiàn)之后，尋找其他的具有合了研究的新熱點(diǎn)。二硫化物(TMDC)是具有化學(xué)式 MX2的原子級(jí)薄材料，其中具有代2結(jié)構(gòu)式中的 M 指的是過渡金屬元素，X 指的是硫元素，這是一個(gè)石墨烯的結(jié)構(gòu)是在同一平面內(nèi)，而二硫化鉬的原子結(jié)構(gòu)與石墨烯不層是 Mo 原子，兩邊層是 S 原子，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了單層二硫化鉬的

一層薄的鉬源，再將硫蒸氣(固態(tài)硫源加熱而來)用氮?dú)獯祾咭霊?yīng)生成二硫化鉬。用這種方法可以制得大面積的二硫化鉬晶體[24-性能上來看，石墨烯雖然具備良好的遷移率，但是因?yàn)闆]有帶隙邏輯電路中[27-28]。二硫化鉬晶體管性能十分優(yōu)秀，但是其只具備移率也不高，并不能達(dá)到現(xiàn)代商用硅基器件的水準(zhǔn)[31-34]。因此，移率較大的半導(dǎo)體成為重要課題。新型二維半導(dǎo)體材料——黑磷被 3 個(gè)課題組幾乎同時(shí)報(bào)道出來[29-30半導(dǎo)體材料，具備雙極導(dǎo)電性能并以空穴導(dǎo)電為主(P 型)。其具的禁帶寬度約為 0.3eV。從導(dǎo)電性上看，黑磷具有較大的遷移率且?guī)Ы嵌葋砜�，黑磷填補(bǔ)了零帶隙石墨烯和寬帶隙二硫化鉬之間的與石墨類似，為層狀材料，每層間靠范德華力相互吸引堆垛。黑元素層狀結(jié)構(gòu)，如圖所示，圖 1.2 中分別為黑磷的 Armchair 方向和為垂面方向。

然而當(dāng)器件的尺寸小于 30nm 之后，也就是進(jìn)入了量子力學(xué)范圍時(shí)，應(yīng)問題。薛定諤方程在器件模擬中非常準(zhǔn)確，但它在使用過程中存在許性，收斂問題等。在器件的實(shí)際傳輸過程中，散射效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生影響理論無法滿足小尺寸的器件仿真要求。ndauer-Büttiker 輸運(yùn)理論和非平衡格林函數(shù)為量子輸運(yùn)理論中比較常見tiker 輸運(yùn)理論是將微觀層面透射系數(shù)和宏觀層面的電導(dǎo)相結(jié)合。非平衡以用來描述量子系統(tǒng)中的各種量子效應(yīng)以及粒子之間的相互作用。uer-Buttiker 方程典理論可知，在存在大量的嚴(yán)格假設(shè)的前提下可以利用玻爾茲曼方程函數(shù)，但是由于半經(jīng)典理論的計(jì)算方式特別復(fù)雜，所以文章提t(yī)iker 方程代替玻爾茲曼方程來獲取載流子的分布函數(shù)[52]。
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