CN103077968A - 一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管。基于量子力学非平衡Green函数理论框架,在开放边界条件下,通过自洽求解三维泊松(3D-Poisson)和薛定谔(Schr?dinger)方程,构建了适用于非均匀掺杂的石墨烯场效应管的输运模型,并利用该模型分析计算非对称HALO-LDD掺杂策略对石墨烯纳米条带场效应管(GNRFET)电学特性的影响。通过与采用其他掺杂策略GNRFET的输出特性、转移特性、开关电流比、亚阈值摆幅、阈值电压漂移等电学特性对比分析,发现这种掺杂结构的石墨烯场效应管具有更大的开关电流比、更低的泄漏电流、更小的亚阈值摆幅和阈值电压漂移,即表明采用非对称HALO-LDD掺杂策略的GNRFET具有更好的栅控能力,能够有效的抑制短沟道效应和热载流子效应。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯纳米条带场效应管领域,尤其是涉及非对称峰值-轻掺杂漏(HALO-LDD)掺杂结构的石墨烯纳米条带场效应管。
背景技术
近年来,石墨烯(Graphene)的出现在科学界激起了巨大的波澜,由于自身的优越性质而被认为是未来最有发展潜力的碳纳米材料之一。石墨烯具有很高的电子迁移率和高导电性,利用石墨烯制作的晶体管不仅体积小、功耗低、对工作环境的要求低,并且易于设计成各种结构。然而,由于石墨烯是零带隙材料,其费米能是呈线性分布的,因此它并不适合直接应用到晶体管中。不过可以将石墨烯按照一定方向切割成条带的方法来产生带隙[HAN M Y,OZYILMAZ B,KIM P,et al.Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons[J].Phys RevLett,2007,98(20):206-805.],并可以通过条带的宽度来控制带隙的大小(带隙的大小与条带宽度成反比)。
从沟道工程的角度上看,将GNR(石墨烯条带)作为沟道材料制成的场效应管具有较硅基MOS管更优越的器件性能和尺寸缩小前景,因而石墨烯条带场效应管(GNRFET)被认为是构建未来纳电子系统中最具潜力的基本元件。尽管如此,由于A-GNRs(Armchair GNR)的带隙依条带宽度的不同而不同,因此以不同尺寸GNR作为沟道的GNRFETs,其应用领域也有很大差异。研究表明,条带宽度为10~15nm的GNRFET开关电流比仅为10左右,完全达不到数字电路的要求,但其具有很高的截止频率(截止频率可达THZ),因此十分适用于高频/RF模块的低增益基本元件中,如低噪声放大器[LIN Y M,ALBERTO V G,HAN S J,et al.Wafer-Scale graphene integrated circuit[J].Science,2011,332(6035):1294-1297.],目前,IBM已研制出运行速度最快的石墨烯晶体管,其截止频率可达100GHZ,并且已研制出首款由石墨烯原片制成的集成电路[YOON Y,FIORI G,HONG S,et al.Performance comparison ofgraphene nanoribbon FETs with Schottky contacts and doped reservoirs[J].IEEE Trans ElectronDevices,2008,55(9):2314-2323.]。另一方面,为了获得足够的开关电流比以适合数字应用,需要减小GNR宽度以增加带隙,已有实验数据表明,窄带GNRFETs(条带宽度约为2±0.5nm)在VDS=0.5V时,开态电流密度约为2000μA/μm,电流开关比达106[WANGX.,OUYANG Y,LIX,et al.Room-temperature all-semiconducting sub-10-nm graphene nanoribbon field-effecttransistors[J].Phys.Rev.Lett,2008,100(20):206803-206807.]。
根据石墨烯与器件源漏端电极的接触类型的不同,石墨烯晶体管可以分为类MOS石墨烯纳米条带场效应管(C-GNRFETs)和肖特基势垒石墨烯纳米条带场效应管(SB-GNRFETs),其中C-GNRFETs一般是通过在器件源漏区进行重掺杂,使得GNR与源漏电极间形成欧姆接触从而实现类似MOSFET的结构,而SB-GNRFETs是通过直接将本征石墨烯纳米条带与金属电极接触形成肖特基势垒,与C-GNRFETs不同的是,在SB-GNRFETs中,电流的形成是载流子隧穿通过源漏端的肖特基势垒而产生的,而栅压的改变能够引起该势垒的变化,进而引起相应隧穿电流的大小,由于导体中同时存在电子和空穴的作用,SB-GNRFETs会表现出明显的双极性特性,从而大大降低器件性能。在对两类器件电流特性的对比分析中表明,源漏区掺杂的C-GNRFET拥有比SB-GNRFET更好的器件性能、更高的开关电流比和截止频率[YOON Y,FIORI G,HONG S,et al.Performance comparison of graphene nanoribbon FETs withSchottky contacts and doped reservoirs[J].IEEE Trans Electron Devices,2008,55(9):2314–2323.]。
总而言之,石墨烯凭借其优异的电学特性在未来纳米电子应用领域有着十分诱人的前景,而具有一定能隙的石墨烯纳米条带更能够应用于高性能数字电路、太赫兹频率器件和超传感器元件中,并有望取代硅基材料成为引领后硅基时代的主导。不过由于传统的石墨烯纳米条带场效应管会出现双极性效应,且随着器件尺寸不断缩小,会出现各种二级效应,从而影响器件性能。本工作从沟道掺杂工程的角度出发,提出一种适用于改善石墨烯纳米条带场效应管性能的新型掺杂结构。
发明内容
技术问题:本发明的目的是针对传统石墨烯纳米条带器件因双极性效应和其他一系列副效应而引起的器件性能下降问题,提供一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管,使得器件抑制热载流子效应的能力也增强。在较低的工作电压下,能够获得较大的驱动电流,并有望在数字电路中获得应用。
技术方案:本发明受硅基横向沟道工程的启发,将用于改善传统MOSFET性能的掺杂结构引入GNRFET中,包括梯度掺杂结构[周海亮,池雅庆,张民选.基于梯度掺杂策略的碳纳米管场效应管性能优化[J].物理学报,2010,59(11):8105-8111.]、轻漏掺杂结构[OGURA S,TSANG P J,WALKER W W,et al.Design and characteristics of the lightly doped drain-source(LDD)insulated gate field-effect transistor[J].IEEE Trans Electron Devices,1980,15(4):1359-1367.]和峰值掺杂结构[KAUR R,CHAUJAR R,SAXENA M,et al.Lateral channelenginerred hetero material insulated shallow extension gate stack(HMISEGAS)MOSFET structure:high performance RF solution for MOS technology[J].Semicond Sci Tech,2007,22(10):1097-1102.]。由于LDD(轻掺杂漏)掺杂结构可以有效地抑制器件的热载流子效应,HALO掺杂结构可以有效抑制短沟道效应(如阈值电压漂移,漏致势垒降低效应),但若将HALO掺杂用于器件的漏端反而会使漏端电场增强,这将不利于抑制热载流子效应。基于上述考虑,本发明提出了在GNRFET源极附近进行单HALO掺杂,漏极附近进行单LDD掺杂,以形成非对称HALO-LDD-GNRFET结构。由于目前石墨烯器件的仿真还处于起步阶段,且目前很少有文献涉及这类掺杂结构的石墨烯纳米条带场效应管电学特性的研究。为揭示纳米尺度该类器件的量子输运特性,本发明在非平衡格林函数(NEGF)框架下,通过自洽求解三维泊松和薛定谔方程,对不同掺杂结构的GNRFETs电学特性进行了数值模拟,并给出了相应的性能比较。本发明对揭示GNRFET的输运物理机制、改善GNRFET器件结构性能提供理论依据。
本发明的非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管是一种双栅结构,其中用扶椅型的石墨烯条带A-GNR作为导电沟道,沟道与两个栅电极间用同种电介质材料填充,且两个栅电极以沟道为中心形成对称结构;器件的源和漏扩展区均存在一个N型重掺杂区即N+区,且在石墨烯纳米条带沟道靠近源区附近有一个峰值HALO掺杂结构,而在器件漏区靠近沟道存在一个单独的轻掺杂漏LDD掺杂结构,最终组成非对称峰值-轻掺杂漏掺杂结构;即:源区进行单HALO掺杂,漏区进行单LDD掺杂。
所述的双栅结构为两个关于器件沟道对称的栅,即顶栅和底栅,其采用功函数为4.1的锰金属作为栅极材料,器件沟道与两栅电极间用栅电介质填充,以形成栅氧化层;在器件宽度方向即Y方向,沟道与器件边界的侧域S也填充同类型的栅电介质来进行绝缘。
所述的石墨烯纳米条带采用本征扶椅型armchair,作为器件的导电沟道,其与器件的两个栅电极平行且等长。
所述的器件的源扩展区,长度为LS,采用N型重掺杂,以形成N+区;而漏扩展区,长度为LD,包含N+区和轻掺杂漏LDD掺杂结构两个部分,其中N+区与源区一样,表示一个N型重掺杂区,轻掺杂漏LDD掺杂结构表示一个轻掺杂区;在本征石墨烯纳米条带沟道附近靠近器件源极处还有一个峰值HALO掺杂结构,这样,便组成了一个非对称HALO-LDD掺杂结构的石墨烯纳米条带场效应管。
有益效果:本发明从沟道工程的角度,提出了一种适用于改善以AGNR为沟道材料石墨烯器件性能的优化掺杂策略,并基于非平衡格林函数的方法,对比分析了不同掺杂结构的石墨烯纳米条带场效应管的电学特性,如I-V电流特性、亚阈值特性和尺寸缩小等电学特性,结果表明,采用非对称峰值-轻掺杂漏掺杂策略的GNRFET相比其他掺杂结构具有更大的阈值电压、更低的关态电流、更高的开关电流比、更小的阈值电压漂移,表明该器件能更好的抑制DIBL效应,更低的亚阈区栅压摆幅,说明该器件拥有更优的栅控能力,能更好的抑制短沟道效应,LDD掺杂结构的引入,使得器件抑制热载流子效应的能力也增强。在较低的工作电压下,能够获得较大的驱动电流,并有望在数字电路中获得应用。
附图说明
图1采用非对称HALO-LDD掺杂策略的GNRFET结构图(a)垂直截面示意图(b)横截面示意图。
图2石墨烯条带系统简图。
图3基于非平衡格林函数(NEGF)的自洽迭代求解过程。
其中有:栅1、栅氧化层2、N+区3、峰值HALO掺杂结构4、石墨烯纳米条带5、轻掺杂漏LDD掺杂结构6。
具体实施方式
本发明研究的类MOSFET结构的GNRFET如图1所示,它是一种双栅结构,其中用Armchair型的石墨烯条带作为导电沟道,其中沟道两边的栅氧化层是完全对称的,器件的源/漏扩展区通过气相或液相化学离子注入方式进行N型重掺杂,另在石墨烯纳米条带沟道靠近源区附近进行峰值(HALO)掺杂,而在器件漏区靠近沟道处采用N型轻掺杂,从而形成非对称峰值-轻掺杂漏掺杂结构。器件的仿真是通过在实空间下构建紧束缚哈密顿量,将GNRFET看成一个如图2所示的石墨烯条带系统,然后基于非平衡格林函数方法,自洽迭代求解泊松和薛定谔方程组(过程如图3所示),最后利用Landauer-Buttiker公式进一步求取系统的其他电学参量。
针对类金属-氧化层-半导体场效应管(MOSFET-Like)的石墨烯器件会出现典型的双极型效应,以及随着器件尺寸不断缩小等因素会产生一些二级效应如漏致势垒降低(DIBL)效应和热载流子效应(HCE)等问题,从横向沟道工程的角度出发,提出一种用于改善常规石墨烯纳米条带场效应管电学性能的新型掺杂策略。其次基于量子力学非平衡格林函数(NEGF)理论框架,在开放边界条件下,通过自洽求解三维泊松和薛定谔方程,构建了适用于非均匀掺杂的石墨烯场效应管的输运模型,并利用该模型分析采用非对称HALO-LDD掺杂策略对石墨烯纳米条带场效应管(GNRFET)电学特性的影响。总体上看,该掺杂策略模型具有以下特征:
A.它是一种双栅结构,其中用AGNR(边缘是Armchair型的石墨烯条带)作为导电沟道,沟道与两个栅电极间用同种电介质材料填充,且两个栅电极以沟道为中心形成对称结构。
B.器件的源/漏扩展区均采用N型重掺杂,另在石墨烯纳米条带沟道靠近源区附近进行峰值(HALO)掺杂,而在器件漏区靠近沟道处采用N型轻掺杂,最终形成非对称峰值-轻掺杂漏掺杂结构(源区进行单HALO掺杂,漏区进行单LDD掺杂)。
C.模型的计算是利用NEGF方法,在开放边界条件下,自洽求解三维泊松和薛定谔方程。具体过程为:给定初始沟道电势,带入NEGF方程计算出其电荷密度,再将求得的电荷密度代入泊松方程求解出GNR沟道中的静电势,然后再将此电势重新代入NEGF方程中进行计算,如此反复迭代直到得到自洽解为止。
模型的计算是利用非平衡格林函数(NEGF)方法,在开放边界条件下,自洽求解三维泊松和薛定谔方程。具体过程是给定一个初始沟道电势,利用NEGF方程计算出其电荷密度,再将电荷密度代入泊松方程求解出GNR沟道中的静电势,然后又将求得的电势重新代入NEGF方程中进行计算,如此反复迭代直到得到自洽解为止,整个计算迭代过程如图3所示。本发明所计算的石墨烯纳米条带场效应管可以用图2所示的电子系统来描述,即整个系统包括两个自能矩阵∑S和∑D,分别用于描述导电沟道与源/漏端的耦合关系,在选定了合适的基组和用于描述沟道的哈密顿量以及自能项后,对于给定的自洽电势,系统的迟滞格林函数有如下形式[DATTA S.Nanoscale device modeling:The Green’s function method[J].SuperlatticesMicrostruct,2000,28(4):253–278.]:
G(E)=[(E+iη+)I-H-∑D-∑S]-1 (1)
式中E为能量,η+是一个正无穷小量,I是单位矩阵,∑S和∑D分别为器件源和漏电极贡献的自能项,可根据表面格林函数通过迭代求出。在紧束缚近似下,描述GNR沟道的哈密顿矩阵H可表示为三对角矩阵的形式[DATTA S.Nanoscale device modeling:The Green’s functionmethod[J].Superlattices Microstruct,2000,28(4):253-278.]:
其中N为GNR沿沟道方向所含碳原子数目,[αi]是n阶对角矩阵(n为GNR宽度方向上的碳原子数目),用来描述石墨烯晶胞中同类型碳原子之间的耦合关系,其中αi表示沟道方向上第i列碳原子的电势;[β]也是n阶矩阵,表示相邻的不同类型碳原子的耦合。
另外,A-GNR的能带结构在紧束缚近似下可以表示为[MICHETTI P,IANNACCONE G.Analytical model of one-dimensional carbon-based schottky-barrier transistors[J].IEEE TransElectron Devices,2010,57(7):1616-1625.]:
其中,γ是紧束缚阶跃参数,acc是GNR中碳碳键长,约为0.142nm,k为沿GNR沟道方向的波矢量,α代表子能带。假设源漏区的电势与GNR的平衡费米能级持平,且没有完全的限制态,当求得表面格林函数后,那么器件中任一位置的电子和空穴密度可由下式求得[VENUGOPAL R,PAULSSON M,GOASGUEN S,et al.A simple quantum mechanical treatmentof scattering nanoscale transistors[J].J Appl Phys,2003,93(9):5613-5625.]:
其中EI为GNR部分的费米能级,f是费米-狄拉克分布函数,EFS(D)是源(漏)区的费米能级。
将求出的电子和空穴密度代入三维泊松方程以求解静电势,其中三维泊松方程可由下式表示
其中q是电子电荷,h是普朗克常量,T(E)是电子通过沟道的透射系数[DATTA S.Nanoscaledevice modeling:The Green’s function method[J].Superlattices Microstruct,2000,28(4):253–278.]:
在上述量子模型框架下,对采用不同掺杂策略的石墨烯纳米条带场效应管的电流特性和亚阈值特性进行了模拟分析。模拟中,GNR沟道方向(z方向)和宽度方向(y方向)的网格点间距分别取0.15nm和0.2nm。另外,碳碳键长acc=0.142nm,正无穷小量η+=10-16,紧束缚阶跃参数γ=2.7eV,环境温度T=300K。
1GNRFETs的电流特性
通过对比采用不同掺杂策略石墨烯纳米条带场效应管(GNRFETs)的I-V电流特性,发现在相同栅压下,采用非对称峰值-轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管(HALO-LDD-GNRFET)输出电流较小,而常规GNRFET(C-GNRFET)的输出电流较大,且其电导要大于前者。然而,在同源漏偏压下,C-GNRFET的阈值电压最小,而HALO-LDD-GNRFET虽然漏极输出电流较小,但其阈值电压最大,关态电流最低,拥有更大的开关电流比。另一方面,带肖特基势垒的GNRFET(SB-GNRFET)有明显的双极性效应,且具有较大的泄漏电流。
2GNRFETs的亚阈值特性
为了研究不同掺杂策略对石墨烯纳米条带场效应管性能的影响,探究本发明提出的新型掺杂结构相对于其他结构对器件性能的改善程度,对采用不同掺杂结构的GNRFETs的亚阈值特性作了分析,亚阈值斜率表征亚阈区栅电压对沟道电流的控制能力。对比结果表明肖特基GNRFET由于双极性特性和肖特基势垒的存在,其亚阈值斜率特性十分糟糕,而HALO-LDD-GNRFET拥有最理想的亚阈值斜率,反映出该掺杂结构的栅控能力明显优于其他结构。漏致势垒降低(DIBL)效应指当器件沟道长度减小,漏电压增加时,使得源漏端的耗尽区十分靠近,漏区发出的场强线中的一部分通过耗尽区中止于沟道,导致源端势垒高度降低,造成阈值电压降低。通过对比常规GNRFET与采用非对称HALO-LDD掺杂策略GNRFET的阈值电压漂移,发现当从漏端电压从0V增大到0.5V时,C-GNRFET的阈值电压跌落50mV,而HALO-LDD-GNRFET仅跌落10mV,即说明了非对称HALO-LDD掺杂结构比普通均匀掺杂结构更能抑制阈值电压跌落,有更好的抑制DIBL效应的能力。
3GNRFETs的尺寸缩小特性
为了探究采用非对称HALO-LDD掺杂结构的石墨烯场效应管在等比例缩小方面的表现,对比了常规GNRFET和HALO-LDD-GNRFET在不同沟道长度时,它们的开态电流、关态电流和开关电流比随沟道长度变化关系。结果表明,随着沟道长度的增加,两种结构的器件关态电流均减小,而在同尺寸下,采用非对称HALO-LDD掺杂策略的器件关态电流要比常规GNRFET低1~2个数量级。而且两种掺杂结构器件的开态电流相差并不大,且沟道长度对其影响也十分有限。最值得注意的是,采用非对称HALO-LDD掺杂结构的GNRFET的电流开关比远高于常规C-GNRFET的,其可达106,说明采用本发明中提出的新型结构GNRFET可望能够应用于数字电路,另外由于其在工作电压为0.5V时开态电流可达到6.5μA,电流驱动能力优于同条件下硅基器件,也说明该非对称峰值-轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管在拥有较大的驱动电流同时,还能够保持较低的泄漏电流。
Claims (4)
1.一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管,其特征在于该场效应管是一种双栅(1)结构,其中用扶椅型的石墨烯条带A-GNR作为导电沟道,沟道与两个栅电极间用同种电介质材料填充,且两个栅电极以沟道为中心形成对称结构;器件的源和漏扩展区均存在一个N型重掺杂区即N+区(3),且在石墨烯纳米条带(5)沟道靠近源区附近有一个峰值HALO掺杂结构(4),而在器件漏区靠近沟道存在一个单独的轻掺杂漏LDD掺杂结构(6),最终组成非对称峰值-轻掺杂漏掺杂结构;即:源区进行单HALO掺杂,漏区进行单LDD掺杂。
2.根据权利要求1所述的一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管,其特征在于所述的双栅结构为两个关于器件沟道对称的栅(1),即顶栅和底栅,其采用功函数为4.1的锰金属作为栅极材料,器件沟道与两栅电极间用栅电介质填充,以形成栅氧化层(2);在器件宽度方向即Y方向,沟道与器件边界的侧域S也填充同类型的栅电介质来进行绝缘。
3.根据权利要求1所述的一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管,其特征在于所述的石墨烯纳米条带(5)采用本征扶椅型,作为器件的导电沟道,其与器件的两个栅电极平行且等长。
4.根据权利要求1所述的一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管,其特征在于所述的器件的源扩展区,长度为L S ,采用N型重掺杂,以形成N+区(3);而漏扩展区,长度为L D ,包含N+区(3)和轻掺杂漏LDD掺杂结构(6)两个部分,其中N+区(3)与源区一样,表示一个N型重掺杂区,轻掺杂漏LDD掺杂结构(6)表示一个轻掺杂区;在本征石墨烯纳米条带沟道附近靠近器件源极处还有一个峰值HALO掺杂结构(4),这样,便组成了一个非对称HALO-LDD掺杂结构的石墨烯纳米条带场效应管。
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