黑磷是新型二維半導體材料,可以有效的填補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,我們將對黑磷MOS型場效應晶體管以及隧穿型場效應晶體管的器件結構、電子輸運特性以及其構成電路性能進行分析。采用量子輸運理論,基于非平衡格林函數和泊松方程自洽求解的方法,研究了場效應管的關鍵參數對于其輸運特性的影響。通過本課題的研究,能夠為將來黑磷場效應管的器件和電路設計提供理論依據。主要研究內容包括以下幾個方面:(1)首先,研究了黑磷MOS型場效應晶體管(BP-FET)的基本輸運特性,以及溫度、器件尺寸、摻雜濃度對于BP-FET的輸運特性的影響。研究結果表明:隨著BP-FET柵長的增加,器件的關態(tài)電流越來越小、開關電流比越來越大,以及亞閾值特性有較好的改善;BP-FET在源漏區(qū)摻雜摩爾分數為0.006處取得了最高的開關電流比以及較低的關態(tài)電流;BP-FET在低溫環(huán)境中具有良好的開關電流特性。(2)其次,研究了黑磷隧穿型場效應晶體管(BP-TFET)的輸運特性。對不同氧化層介電常數、柵長、溫度以及源漏區(qū)摻雜濃度對于器件輸運特性的影響進行研究,并與二硫化鉬隧穿型場效應管(MoS_2-TFET)的輸運特性進行對比分析。研究結果表明,當柵長為6nm時,BP-TFET具有較低的關態(tài)電流以及較高的開關電流比,當柵長大于此尺寸時,BP-TFET對于柵長的變化不會產生明顯變化;在摻雜摩爾分數為0.006時,BP-TFET的電學特性最為良好;BP-TFET在低溫100K時取得最小的關態(tài)電流以及最高的開關電流比,在常溫300K時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,兩種器件的開關電流相近;BP-TFET的開態(tài)電流受柵長變化的影響較大。MoS_2-TFET在柵長為4nm、8nm時開態(tài)電流均大于BP-TFET的開態(tài)電流;當介電常數為29時,BP-TFET的開關電流比略小于MoS_2-TFET。本節(jié)提出了一種源漏區(qū)非對稱摻雜策略,通過漏區(qū)的輕摻雜實現了更低的關態(tài)電流和更高的開關電流比,并通過電勢分析了其物理機制。(3)最后,將BP-TFET運用到多種電路中以驗證其邏輯功能的正確性。在構成的反相器電路中,對器件的性能進行綜合性的評價,分析了電路的延遲、功率、PDP等。可以發(fā)現,在器件摻雜摩爾分數為0.005時PDP最低;當器件柵長為10 nm時,結合功耗和PDP可以發(fā)現器件性能最優(yōu)。
【學位單位】：南京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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。除了應用廣泛，石墨烯可以通過化學氣相沉積的方式來制備，這就大面積的制備。但因為沒有帶隙導致了其開關電流效應很不理想，降因此石墨烯在數字電路中的應用有著局限性[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)現之后，尋找其他的具有合了研究的新熱點。二硫化物(TMDC)是具有化學式 MX2的原子級薄材料，其中具有代2結構式中的 M 指的是過渡金屬元素，X 指的是硫元素，這是一個石墨烯的結構是在同一平面內，而二硫化鉬的原子結構與石墨烯不層是 Mo 原子，兩邊層是 S 原子，這種結構導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)用氮氣吹掃引入應生成二硫化鉬。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，但是因為沒有帶隙邏輯電路中[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，并不能達到現代商用硅基器件的水準[31-34]。因此，移率較大的半導體成為重要課題。新型二維半導體材料——黑磷被 3 個課題組幾乎同時報道出來[29-30半導體材料，具備雙極導電性能并以空穴導電為主(P 型)。其具的禁帶寬度約為 0.3eV。從導電性上看，黑磷具有較大的遷移率且?guī)Ы嵌葋砜�，黑磷填補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。黑元素層狀結構，如圖所示，圖 1.2 中分別為黑磷的 Armchair 方向和為垂面方向。

然而當器件的尺寸小于 30nm 之后，也就是進入了量子力學范圍時，應問題。薛定諤方程在器件模擬中非常準確，但它在使用過程中存在許性，收斂問題等。在器件的實際傳輸過程中，散射效應也會產生影響理論無法滿足小尺寸的器件仿真要求。ndauer-Büttiker 輸運理論和非平衡格林函數為量子輸運理論中比較常見tiker 輸運理論是將微觀層面透射系數和宏觀層面的電導相結合。非平衡以用來描述量子系統(tǒng)中的各種量子效應以及粒子之間的相互作用。uer-Buttiker 方程典理論可知，在存在大量的嚴格假設的前提下可以利用玻爾茲曼方程函數，但是由于半經典理論的計算方式特別復雜，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[52]。
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本文編號：2857867