CN103094327A - 一种线性掺杂的自旋场效应管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性轻掺杂结构的自旋场效应管。基于量子力学非平衡格林函数理论框架，通过自洽求解泊松（Poisson）和薛定谔（Schr?dinger）方程，构建了适用于线性掺杂自旋场效应管的输运模型，并利用该模型分析计算线性掺杂和普通掺杂策略对自旋场效应管(Spin-FET)电学特性的影响。通过与采用其他掺杂策略的输出特性、转移特性、开关电流比、磁电流率等电学特性对比，发现这种掺杂结构的自旋场效应管具有更大的开关电流比、更高的磁电流率、更小的亚阈值摆幅和阈值电压漂移，即表明采用线性掺杂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

一种线性掺杂的自旋场效应管

技术领域

本发明涉及自旋场效应管领域，尤其是涉及线性掺杂结构的自旋场效应管。

背景技术

除了电荷以外，电子的另外一个属性是自旋。传统的半导体器件只利用了电子的电荷特性而自旋特性被忽略。目前由于半导体器件的尺寸的发展将接近极限，而自旋电子学 (Spintronics)是在传统半导体器件的基础上进一步考虑自旋这一新的特性，利用电子自旋来控制电子。利用自旋电子学来研制新的电子器件，成为一个新兴的学科。

1990年，Datta和Das首次提出了自旋场效应晶体管，它是由铁磁/半导体/铁磁组成的类似三明治的结构。G.Schmidt研究出由于铁磁和半导体的电导不匹配，使得自旋注入率不高。E.Rashba和A.Fert等人指出在铁磁和半导体之间加一势垒,如果势垒足够高的话，可提高自旋电子的注入率^[3]。Bruno和Pareek用紧束缚近似的方法对自旋场效应晶体管进行了模拟计算，模拟了Rashba自旋-轨道耦合的二维电子气中的自旋相干特性。Matsuyama等人对铁磁/砷化铟/铁磁器件中弹道自旋输运和自旋干扰的模拟计算。除了上述的自旋场效应晶体管外，人们还提出了其他类型的自旋场效应晶体管。Ciuti等人在源极和漏极是非磁性的,栅极是由两个串联的铁磁组成，而这两个串联的铁磁的磁化方向的取向能够引起磁阻效应。

本文在Y. Gao和T. Low的基础上^[7] ,采用弹道输运模型来研究自旋场效应晶体管(spin-FET)的电流特性，该模型采用二维非平衡格林函数（NEGF）和泊松（Poisson）方程对spin-FET参数进行自洽求解。利用这个模型，研究了spin-FET的输运特性，并与LDD和线性掺杂的spin-FET输运特性进行了对比。结合器件的工作原理，研究了器件在不同的Si沟道掺杂下的转移特性曲线，对影响器件性能的参数进行了验证。为spin-FET能够投入到实际的应用提供了理论的模型。

发明内容

技术问题： 本发明的目的是针对传统纳米器件因短沟道效应和其他一系列副效应而引起的器件性能下降问题，提供一种线性掺杂的自旋场效应管，使得器件抑制热载流子效应的能力也增强。能够获得较高的磁电流比，这使得线性掺杂自旋场效应管在集成电路中的应用称为可能。

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自旋场效应管中，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.]和线性掺杂结构[张盛东，韩汝琦.漂移区为线性掺杂的高压薄膜SOI器件的研制[J].电子学报，2001，29(2):1-3]。由于轻掺杂漏极结构可以有效地抑制器件的热载流子效应，线性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)。基于上述考虑，本发明提出了在沟道进行线性掺杂。由于目前自旋场效应管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自旋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，通过自洽求解泊松方程和薛定谔方程，对不同掺杂结构的自旋场效应管的电学特性进行了数值模拟，并给出了相应的性能比较。本发明对揭示自旋场效应管的输运物理机制、改善自旋场效应管器件结构性能提供理论依据。

本发明的线性掺杂的自旋场效应管是一种双栅结构，其中用半导体材料硅作为导电沟道，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；该场效应管的源区和漏区为半金属铁磁，在硅沟道与源区和漏区之间有一层自旋随机层和隧穿氧化层，且在硅沟道有一个线性掺杂结构，即在沟道中掺杂浓度随着沟道长度而线性变化；

其中为沟道的掺杂浓度，

为沟道的长度，

为开始的沟道掺杂浓度，

为掺杂线性变化的系数，沟道中掺杂的浓度随着沟道长度的增加而增大。

所述的双栅为关于器件沟道对称的顶栅和底栅，其采用功函数为3.95的金属作为栅极材料，该自旋场效应管沟道与两栅电极间用栅电介质填充，以形成栅氧化层。

所述的半导体材料硅作为该场效应管的导电沟道，两个栅电极平行且等长。

所述器件的源扩展区，长度为L_S ，器件的源区和漏区为半金属铁磁，在沟道和源/漏区，有一层自旋随机层和隧穿氧化层；在硅沟道中是线性掺杂结构，这样，便组成了一个线性掺杂结构的自旋场效应管。

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硅沟道材料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自旋场效应管的电学特性，如I-V电流特性、亚阈值特性和磁电流率等电学特性，结果表明，采用线性掺杂结构的自旋场效应管相比其他掺杂结构拥有更低的关态电流、更大的阈值电压、更高的开关电流比、更小的阈值电压漂移、更高的磁电流率。表明该结构的器件能更好的抑制DIBL效应，说明该器件拥有更好的栅控能力，能更好的抑制短沟道效应，使得器件抑制热载流子效应的能力也增强。能够获得较高的磁电流比，这使得线性掺杂自旋场效应管在集成电路中的应用称为可能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，其中包括：源区1、自旋随机层2、隧穿氧化层3、硅4、漏区5、双栅6、栅氧化层7。

具体实施方式

本发明研究的类MOSFET结构的自旋场效应管如摘要图所示，本发明的线性掺杂的自旋场效应管是一种双栅6结构，其中用半导体材料硅4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；该场效应管的源区和漏区为半金属铁磁，在硅4沟道与源区和漏区之间有一层自旋随机层2和隧穿氧化层3，且在硅4沟道有一个线性掺杂结构，即在沟道中进行线性掺杂。所述的双栅6为关于器件沟道对称的顶栅和底栅，其采用功函数为3.95的金属作为栅极材料，该场效应管沟道与两栅电极间用栅电介质填充，以形成栅氧化层7。所述的半导体材料硅4作为该场效应管的导电沟道，两个栅电极平行且等长。所述的场效应管的仿真是通过在实空间下构建紧束缚哈密顿量，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，求取系统的电学参量。

对于纳米自旋场效应管器件会出现短沟道效应，随着器件尺寸不断缩小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等问题，从横向沟道工程的角度出发，提出一种用于改善自旋场效应管电学性能的新型掺杂策略。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，通过自洽求解泊松和薛定谔方程，构建了适用于线性掺杂的自旋场效应管的输运模型，并利用该模型分析采用线性掺杂策略对自旋场效应管电学特性的影响。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，其中硅沟道作为导电沟道，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/漏区均采用半金属铁磁，硅沟道采用线性掺杂。

C. 模型的计算是利用NEGF方法，在开放边界条件下，自洽求解泊松方程和薛定谔方程。

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硅沟道中的静电势，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。本发明所计算的线性掺杂的自旋场效应管，即整个系统包括两个自能矩阵

，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]. Superlattices Microstruct, 2000, 28(4): 253–278.]：

(1)

式中E为能量，

是一个正无穷小量，I是单位矩阵，

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。系统的哈密顿矩阵

[DATTA S. Nanoscale device modeling: The Green’s function method[J]. Superlattices Microstruct, 2000, 28(4): 253–278.]：

(2)

其中

是第i个子带的哈密顿量，i表示可能子带的个数，在计算中只考虑最低的三个子带，则i取小于4的整数。

的表达式为：

(3)

代表在x轴方向上的N个点。

表示每一个子带上的耦合项，是x轴方向上的电子的有效质量，a是x轴方向上的差分方程的网格间距。本文是双栅器件，所以不考虑子带间的耦合项。

是自能，表达式为：

(4)

，

(5)

，

(6)

对于在源极和漏极两个接触面的自能(),除了左上角和右下角两个元素不为零外，其他的都等于0。在接触面的自能矩阵中，非零元素用来描述在源极/漏极和沟道自旋向上和自旋向下电子态的耦合。

(7)

其中是在源极或者漏极接触面，自旋向上或者自旋向下的波矢。t是源极/漏极和沟道的耦合项。接下来在源极接触面，自旋向上的电子为多子，而自旋向下的电子为少子。如果接触面的磁化设置为平行的话，漏极接触面有相同的自旋关系，当为反平行时，漏极接触面的上或下、多子或少子有完全相反的自旋关系。

对于铁磁接触面有两个很重要的参数：自旋分裂

和多子自旋带宽。自旋分裂

是多子自旋带的第一自带能量减去少子自旋带的第一自带的能量。多子自旋带宽等于接触面费米能级和多子自旋带第一子带能量之差。如果

比大，铁磁称为把金属铁磁。如果都是自旋向上的磁化，就说这种材料的自旋极化接近100%，在半导体材料中这么高的极化率并不是必须的。在本发明中，

，

。

和

分别表示第i个子带在源极和漏极边界处的能量，

和

为载流子在器件左右两个接触面产生的相互作用的自能。

和

表示器件的源极和漏极接触面处电子的交换率。

(8)

(9)

在边界处的态分布函数：

(10)

(11)

通过以上式子可以得到器件的2D电子密度：

(12)

通过格林函数可以表示整个器件从源极到漏极的透射系数：

(13)

第i个子带上的电流为：

(14)

对全部的能谷和全部的子带进行积分，可以得到器件总的电流：

(15)

(16)

T是温度，V是电压，

是透射系数，

是波尔兹曼常数。

1 自旋场效应管的输出特性

通过对比采用不同掺杂策略的自旋场效应管的I-V电流特性，发现在相同栅压下，采用线性掺杂结构的自旋场效应管输出电流较小，而常规自旋场效应管的输出电流较大，且其电导要大于前者。在普通的自旋场效应管下，短沟道效应很明显，并且电流线性掺杂的自旋场效应管都大。当沟道的长度减小到纳米级的时候，源漏极的耗尽区在沟道中所占的比例将增大，在栅极下面形成的反型层的电荷量减小，同时在衬底内的耗尽区沿沟道的电荷使阈值电压增加。为了避免短沟道所引起的这些问题，就要减小沟道的电场，尤其是漏端的电场，对器件进行线性掺杂来减小短沟道效应及DIBL带来的影响。

2 自旋场效应管的亚阈值特性

为了研究不同掺杂策略对自旋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自旋场效应管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。对比结果表明普通的自旋场效应管，其亚阈值斜率特性十分糟糕，而线性掺杂的自旋场效应管，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。DIBL效应指当器件沟道长度减小，漏电压增加时，使得源端和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。通过对比普通的自旋场效应管与采用线性掺杂策略自旋场效应管的阈值电压漂移，发现当从漏端电压从0V增大到0.5V时，普通的阈值电压跌落40mV，而线性掺杂结构的仅跌落10mV，说明了线性掺杂结构比普通掺杂结构能更好的抑制DIBL效应的能力。

Claims (3)

1.一种线性掺杂的自旋场效应管，其特征在于该场效应管是一种双栅（6）结构，其中用半导体材料硅（4）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；该场效应管的源区（1）和漏区（5）为半金属铁磁，在硅（4）沟道与源区（1）和漏区（5）之间有一层自旋随机层(2)和隧穿氧化层(3)，且在硅（4）沟道有一个线性掺杂结构，即在沟道中掺杂浓度随着沟道长度而线性变化； 其中为沟道的掺杂浓度，

为沟道的长度，

为开始的沟道掺杂浓度，

为掺杂线性变化的系数，沟道中掺杂的浓度随着沟道长度的增加而增大。

2.根据权利要求1所述的一种线性掺杂结构的自旋场效应管，其特征在于所述的双栅（6）为关于器件沟道对称的顶栅和底栅，其采用功函数为3.95的金属作为栅极材料，该自旋场效应管沟道与两栅电极间用栅电介质填充，以形成栅氧化层（7）。

3.根据权利要求1所述的一种线性掺杂结构的自旋场效应管，其特征在于所述的半导体材料硅（4）作为该场效应管的导电沟道，两个栅电极平行且等长。

Images