CN102694030B - 具有石墨烯纳米带异质结构的隧穿场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧穿场效应晶体管技术领域，公开了一种具有石墨烯纳米带异质结构的隧穿场效应晶体管，包括源区、沟道区和漏区，所述源区和漏区分别形成于所述沟道区的两侧，所述沟道区的材料为石墨烯纳米带，所述源区的材料为p型掺杂的石墨烯纳米带，所述漏区的材料为n型掺杂的石墨烯纳米带，且所述源区的石墨烯纳米带的宽度大于所述沟道区、漏区的石墨烯纳米带的宽度。本发明利用石墨烯纳米带形成的异质结构在保持隧穿场效应晶体管较小漏电流的同时增大开态电流，并进一步减小亚阈值斜率。
Description
技术领域
本发明涉及隧穿场效应晶体管技术领域，特别是涉及一种具有石墨烯纳米带异质结构的隧穿场效应晶体管。
背景技术
随着互补金属氧化物半导体(CMOS)尺寸缩小日益达到技术的极限，需要新的器件结构进一步提升芯片的性能。隧穿场效应晶体管利用隧穿效应进行电荷的传输，可以突破传统的场效应晶体管的亚阈值斜率(SS)的极限60meV/decade。除此之外，隧穿场效应晶体管还具有低的驱动电压、高的开关比等优点，成为新一代半导体器件的有力竞争者[1]。
隧穿场效应晶体管一般采取非对称掺杂的技术，在源区和漏区分别进行空穴(p)掺杂和电子(n)掺杂，沟道中采用本征材料，进而形成p-i-n结。由于这种结构的特点，在驱动电压下，p区的价带顶能量会大于n区导带底的能量，从而p区的空穴可以隧穿到n区，通过栅电压的调制可以控制隧穿电流的大小。目前已经制备出利用硅、锗和III-V族材料作为沟道材料的隧穿超效应晶体管[2-6]。
隧穿场效应晶体管相比于传统的场效应晶体管具有小的漏电流和较小的亚阈值斜率等优点，但是其开态电流相比于金属绝缘层场效应晶体管要小。针对这一问题，需要通过采用新的材料和新的结构设计来改善隧穿场效应晶体管的性能。
上面提到的参考文献如下：
1、A.M.Ionescu and H.Riel，“Tunnel field-effect transistors asenergy efficient electronic switches，”Nature，vol.479，no.7373，pp.329-337，Nov.2011.
2、Appenzeller，J.，Lin，Y.-M.，Knoch J.& Avouris，P.Band-to-bandtunneling in carbon nanotube field-effect transistors.Phys.Rev.Lett.93，196805(2004).
3、Krishnamohan，T.，Kim，D.，Raghunathan，S.& Saraswat，K.Double-gate strained-Ge heterostructure tunneling FET(TFET)withrecord high drive currents and＜60 mV/dec subthreshold slope.Tech.Digest IEEE Int.Electron Devices Meet.947-949(IEEE，2008).
4、Mayer，F.et al.Impact of SOI，Si1-xGexOI and GeOI substrateson CMOS compatible tunnel FET performance.Tech.Digest IEEE Int.Electron Devices Meet.163-166(IEEE，2008).
5、Hu，C.et al.Prospect of tunneling green transistor for 0.1VCMOS.IEEE Int.Electron Devices Meet.16.1.1-16.1.4(IEEE，2010).
6、Moselund，K.E.et al.Comparison of VLS grown Si NW tunnelFETs with different gate stacks.Proc.Eur.Solid State Device Res.Conf.448-451(IEEE，2009).
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何在保持隧穿场效应晶体管较小漏电流的同时增大开态电流，并进一步减小亚阈值斜率。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有石墨烯纳米带异质结构的隧穿场效应晶体管，包括源区、沟道区和漏区，所述源区和漏区分别形成于所述沟道区的两侧，所述沟道区的材料为石墨烯纳米带，所述源区的材料为p型掺杂的石墨烯纳米带，所述漏区的材料为n型掺杂的石墨烯纳米带，且所述源区的石墨烯纳米带的宽度大于所述沟道区、漏区的石墨烯纳米带的宽度。
优选地，所述沟道区和漏区的石墨烯纳米带的宽度相等。
优选地，还包括衬底区，所述源区、沟道区和漏区均形成于所述衬底区上方。
优选地，还包括形成于所述沟道区上方的栅叠层区。
优选地，还包括形成于所述栅叠层区上方的栅电极、形成于所述源区上方的源电极，以及形成于所述漏区上方的漏电极。
优选地，所述栅叠层区包括位于上部的栅导电层和位于下部的栅绝缘层。
优选地，所述源电极与栅电极之间，所述栅电极与漏电极之间均具有绝缘层。
优选地，所述栅电极、源电极和漏电极的材料均为金属。
(三)有益效果
上述技术方案具有如下优点：利用石墨烯纳米带形成的异质结构在保持隧穿场效应晶体管较小漏电流的同时增大开态电流，并进一步减小亚阈值斜率。
附图说明
图1是本发明实施例的隧穿场效应晶体管结构示意图；
图2是本发明实施例的隧穿场效应晶体管中石墨烯纳米带所形成的异质结构的原子结构示意图。
其中，1：源区；2：沟道区；3：漏区；4：衬底区；5：栅叠层区；501：栅导电层；502：栅绝缘层；6：栅电极；7：源电极；8：漏电极；9：绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种具有石墨烯纳米带异质结构的隧穿场效应晶体管，包括源区1、沟道区2和漏区3，所述源区1和漏区3分别形成于所述沟道区2的两侧，所述沟道区2的材料为石墨烯纳米带，所述源区1的材料为p型掺杂的石墨烯纳米带，所述漏区3的材料为n型掺杂的石墨烯纳米带，且所述源区1的石墨烯纳米带的宽度大于所述沟道区2和漏区3的石墨烯纳米带的宽度(如图2所示)。所述沟道区1和漏区3的石墨烯纳米带的宽度可以相等。其中，源区和漏区使用不同的掺杂可以使电流从源区隧穿到漏区。
还包括衬底区4、形成于所述沟道区2上方的栅叠层区5，形成于所述栅叠层区5上方的栅电极6、形成于所述源区1上方的源电极7，以及形成于所述漏区3上方的漏电极8，所述源区1、沟道区2和漏区3均形成于所述衬底区4上方。
所述栅叠层区5包括位于上部的栅导电层501和位于下部的栅绝缘层502。所述源电极7与栅电极6之间，所述栅电极6与漏电极8之间均具有绝缘层9。
所述栅电极6、源电极7和漏电极8的材料均为金属，如Pt、W、Ti、Ta、Cu等。绝缘层9可以采用介电常数较高的氧化物，如SiO2、HfO2等氧化物。
由于隧穿场效应晶体管的开态电流、关态电流由隧穿势垒决定，但开态和关态所面对的势垒是不同的，开态时，隧穿电流主要由源区和沟道区的界面处的势垒决定，而关态电流由整个沟道区的势垒决定。因此，可以通过保持较高的整个沟道区的势垒以保持较低的关态电流，同时通过缩小源区和沟道区界面处的势垒来提高开态电流。利用这一原理设计了本发明的由石墨烯纳米带形成异质结构的隧穿场效应晶体管。由于石墨烯纳米带的能带结构和其宽度相关，纳米带越宽，带隙越小，因此在源区采用比沟道区、漏区宽度大的石墨烯纳米带，这种结构使源区具有小的能带，而沟道区和漏区具有较大的能带，这样就可以在源区和沟道区的界面处形成小的隧穿势垒，同时又能保证整个沟道区有较大的隧穿势垒。
由以上分析可以看出，由于提高了开态电流，降低了关态电流，因此，与传统的隧穿场效应晶体管相比，本发明在没有提高漏电流(由于采用纳米带)的情况下提高了开态/关态电流比，而由于本发明的异质结构，在源区和沟道接触处的势垒在亚阈值区会随着栅压的增大而变小，从而可以实现亚阈值斜率的减小。本发明适用于超低工作电压、超低功耗的电路。
由以上实施例可以看出，本发明利用石墨烯纳米带形成的异质结构在保持隧穿场效应晶体管较小漏电流的同时增大开态电流，并进一步减小亚阈值斜率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种具有石墨烯纳米带异质结构的隧穿场效应晶体管，其特征在于，包括源区、沟道区和漏区，所述源区和漏区分别形成于所述沟道区的两侧，所述沟道区的材料为石墨烯纳米带，所述源区的材料为p型掺杂的石墨烯纳米带，所述漏区的材料为n型掺杂的石墨烯纳米带，且所述源区的石墨烯纳米带的宽度大于所述沟道区、漏区的石墨烯纳米带的宽度；
其中，所述沟道区和漏区的石墨烯纳米带的宽度相等；
其中，还包括衬底区，所述源区、沟道区和漏区均形成于所述衬底区上方；还包括形成于所述沟道区上方的栅叠层区；还包括形成于所述栅叠层区上方的栅电极、形成于所述源区上方的源电极，以及形成于所述漏区上方的漏电极；
其中，所述栅叠层区包括位于上部的栅导电层和位于下部的栅绝缘层；所述源电极与栅电极之间，所述栅电极与漏电极之间均有绝缘层。
2.如权利要求1所述的隧穿场效应晶体管，其特征在于，所述栅电极、源电极和漏电极的材料均为金属。
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