CN104103692A - 一种峰值掺杂结合对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种峰值掺杂结合对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管，构建了适用于峰值掺杂结合对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管的输运模型，利用该模型分析计算了HALO-Linear掺杂策略对碳纳米场效应管电学特性的影响。通过与采用其他掺杂策略CNTFET的电学特性对比分析，发现这种掺杂结构的碳纳米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，更高的截止频率和更小的延迟时间，即表明采用HALO-Linear掺杂策略的CNTFET具有更好的栅控能力，更好的开关特性，能够有效的抑制短沟道效应和热载流子效应。

Description

一种峰值掺杂结合对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管

技术领域

本发明属于碳纳米场效应管领域，涉及峰值-对称线性掺杂(HALO-Linear)结构的碳纳米场效应管。

背景技术

随着器件尺寸的不断缩小，对器件的性能要求越来越高，人们的眼光从而转移到了新型材料之上，其中最受关注一个就是碳纳米管。碳纳米管是由石墨烯片层围成的一种管状结构。碳纳米管名称的由来是因为它的直径非常小都在纳米尺度，大约在几纳米到几十个纳米之间，同时它的长度也很小在微米量级。顾名思义，碳纳米管的结构与石墨和金刚石的一样都是碳的同素异构体即由碳六边形组成的结构。但是不同的是它是管状材料，可以看成是由片状石墨烯卷曲而成。碳纳米管可分为单壁和多壁碳纳米管，(a)为单壁碳纳米管，(b)为多壁碳纳米管。碳纳米管手性指数(n，m)能够决定碳纳米管属于哪种类型，当手性指数中n与m相等时，碳纳米管的类型为扶手型(Armchair)；当n大于m并且m＝0时，碳纳米管的类型为锯齿型(Zigzag)；当n大于m且m≠0时，碳纳米管则称为手型(Chiral)碳纳米管。

制备碳纳米管的方法主要有三种，分别为石墨电弧法、激光蒸发法和催化裂解法。第一种石墨电弧法是将惰性气体或氢气加入真空反应室中，使其具有一定的压力，同时阳极材料采用很细的石墨棒，阴极材料采用比较粗的石墨棒。在制备的过程中，电弧会放电从而不断消耗阳极石墨棒，与此同时含有纳米碳管的物质会在阴极上沉积出来；激光蒸发法是由Smalley等首次提出的，该方法的原理是，在由过渡金属和石墨组成的复合材料棒上利用激光使得该棒蒸发从而制备出多壁纳米碳管。但是由于制作成本高，并没有得到推广应用；催化裂解法是在高温下使含碳化合物如一氧化碳、甲烷等分裂为一个个独立的碳原子，然后在催化剂作用下，这些独立的碳原子附着在催化剂微粒表面上从而就形成为了碳纳米管。

在室温下，第一个碳纳米管场效应管[Tans S J,Verschueren A R M,Dekker C.Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube[J].Nature,1998,393(7):49-52.](CNTFET)是在1998年由荷兰代尔夫特理工大学Tran S J小组成功地制作而成，之后碳纳米管场效应管得到了飞速发展，更是出现了很多种CNTFET模型，但是目前占主导地位的有肖特基势垒CNTFET[Hazeghi A,Krishnamohan T,Wong,H.Schottky-barrier carbonnanotube field-effect transistor modeling[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2007,54(3):439-445.],[Guo J,Lundstrom M,Datta S.Performance projections for ballistic carbonnanotube field-effect transistors[J].Applied Physics Letters,2002,80(17):3192–3194.]和类MOS型CNTFET[Fiori G,Iannaccone G,Klimeck G.A three-dimensional simulation study ofthe performance of carbon nanotube field-effect transistors with doped reservoirs and realisticgeometry[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2006,53(8):1782–1788.],[Orouji A A,Arefinia Z.Detailed simulation study of a dual material gate carbon nanotube field-effecttransistor[J].Physica E:Low-dimensional Systems and Nanostructures,2009,41(10):552-557.]。第一种结构之所以叫肖特基势垒CNTFET是因为碳纳米管和两边电极存在功函数差，所以碳纳米管两端与金属接触之处能够形成肖特基势垒。另一方面栅电压变化势垒也跟着变化，所以控制隧穿电流的大小就非常容易了。但是肖特基碳CNTFET的双极效应使得器件的性能大大降低了，这也是该结构的不足之处。第二种结构中，源极和漏极都进行了重掺杂，它们还与电极相连接，所以电极与碳纳米管之间形成欧姆接触，这时掺杂的碳纳米管和沟道碳纳米管形成功函数差，这样能带弯曲后，势垒就在在沟道中形成了。与前面提到的一样，栅电压能够控制势垒高度，从而控制电流大小。这种器件因为具有单极特性和漏电流小的特点，所以受到广泛的关注[Fiori G,Iannaccone G,Klimeck G.Athree-dimensional simulation study of the performance of carbon nanotube field-effect transistorswith doped reservoirs and realistic geometry[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2006,53(8):1782–1788.],[Orouji A A,Arefinia Z.Detailed simulation study of a dual material gatecarbon nanotube field-effect transistor[J].Physica E:Low-dimensional Systems andNanostructures,2009,41(10):552-557.]。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能在缩小器件尺寸的同时克服短沟道效应，减少了器件性能下降，增强了器件抑制热载流子效应的能力的峰值掺杂结合对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管。

技术方案：本发明的峰值掺杂结合对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管，该场效应管包括源极V_s、漏极V_D、沟道、栅氧化层和双栅极V_G结构，所述沟道由碳纳米管层构成，在所述碳纳米管层上从临近源极一端向临近漏极一端依次为N型重掺杂区、线性掺杂结构、峰值掺杂结构、本征碳纳米管、线性掺杂结构、N型重掺杂区；栅氧化层位于碳纳米管层的两侧，在两栅氧化层的外侧设有栅极形成双栅极结构。

本发明的碳纳米场效应管的优选方案中，双栅极结构为关于沟道对称的两个栅极，所述的两个栅极为同种电介质材料填充形成。

本发明的碳纳米场效应管的优选方案中，碳纳米管上的临近源极一端的N型重掺杂区和线性掺杂结构构成源扩展区，长度为L_S，临近漏极一端的N型重掺杂区和线性掺杂结构，构成漏扩展区，长度为L_D，其中L_S＝L_D。

本发明第一次提出在碳纳米管沟道靠近源区附近加入一种峰值HALO掺杂结构，该结构较为新颖。而且该结构具有更高的开关电流比，更小的亚阈值摆幅，更低的延迟时间，更高的截止频率，表明该结构有更好的栅控能力，更好抑制DIBL(漏端引入的势垒降低)效应，更好抑制热电子效应。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

通过对比常规C-CNTFET,对称线性掺杂结构L-CNTFET,单HALO掺杂结构H-CNTFET和HALO结合对称线性掺杂结构HL-CNTFET,四种不同掺杂策略碳纳米场效应管(CNTFETs)的I-V电流特性,在同源漏偏压下,四种掺杂结构的开态电流几乎相同,但HL-CNTFET的关态电流最低，故其拥有更大的开关电流比。

对常规C-CNTFET,对称线性掺杂结构L-CNTFET,单HALO掺杂结构H-CNTFET和HALO结合对称线性掺杂结构HL-CNTFET,四种不同掺杂策略碳纳米场效应管(CNTFETs)的亚阈值特性作了分析，对比结果表明HL-CNTFET拥有最理想的亚阈值摆幅，反映出该掺杂结构的栅控能力明显优于其他结构。

同时本文对比了常规C-CNTFET,对称线性掺杂结构L-CNTFET,单HALO掺杂结构H-CNTFET和HALO结合对称线性掺杂结构HL-CNTFET,四种不同掺杂策略碳纳米效应管(CNTFETs)的延迟时间特性,四种结构中采用对称线性掺杂策略的两种器件的延迟时间较小，而采用HALO掺杂策略的两种器件的延迟时间较大，故HL-CNTFET的延迟时间的降低是因为对称线性掺杂结构的采用。同时，本文还研究了四种不同掺杂策略碳纳米场效应管(CNTFETs)的截止频率,发现HL-CNTFET还有很高的截止频率。

结果表明，采用峰值-对称线性掺杂策略的CNTFET相比其他掺杂结构具有更大的阈值电压、更低的关态电流、更好的开关特性、更好的高频特性，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，线性掺杂结构的引入，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。

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CNTFET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.]、线性掺杂结构[H.Sarvari,R.Ghayour,Design of GNRFET using different dopingprofilesnear the source and draincontacts.International Journal of Electronics2012；99(5):673-682.]和峰值掺杂结构[F.Djeffal,M.Meguellati,A.Benhaya,A two-dimensional analytical analysis ofsubthreshold behavior tostudy the scaling capability of nanoscale graded channel gate stack DG MOSFETs.PhysicaE:Low-dimensional Systemsand Nanostructures2009；41(10):1872–1877]，[G.V.Reddy,M.J.Kumar,A new dual-material double-gate(DMDG)nanoscale SOI MOSFET-two-dimensionalanalytical modeling and simulation.Nanotechnology,IEEE Transactions2005；4(2):260-268.]。由于线性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CNTFET源极附近进行单HALO掺杂，源极和漏极附近进行线性掺杂，以形成HALO-Linear掺杂结构的碳纳米场效应晶体管。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CNTFETs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CNTFET的输运物理机制、改善CNTFET器件结构性能提供理论依据。

附图说明

图1本发明的垂直截面示意图。

图2基于非平衡格林函数(NEGF)的自洽迭代求解过程。

图中有：栅极1、栅氧化层2、N型重掺杂区3、峰值掺杂结构4、线性掺杂结构5、本征碳纳米管6；X,Z分别为三维坐标轴的X方向和Z方向，V_S：源极电压，V_G：栅极电压，V_D：漏极电压，L_S：源扩展区长度，L_D：漏扩展区长度，N⁺：N型重掺杂。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的峰值掺杂结合对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管包括源极V_s、漏极V_D、沟道、栅氧化层2和双栅极V_G结构，所述沟道由碳纳米管层构成，在所述碳纳米管层上从临近源极一端向临近漏极一端依次为N型重掺杂区3、线性掺杂结构5、峰值掺杂结构4、本征碳纳米管6、线性掺杂结构5、N型重掺杂区3；栅氧化层2位于碳纳米管层的两侧，在两栅氧化层2的外侧设有栅极1形成双栅极结构。

所述的双栅极结构为关于沟道对称的两个栅极1，所述的两个栅极1为同种电介质材料填充形成。

所述碳纳米管上的临近源极一端的N型重掺杂区3和线性掺杂结构5构成源扩展区，长度为L_S，临近漏极一端的N型重掺杂区3和线性掺杂结构5构成漏扩展区，长度为L_D，其中L_S＝L_D。

本发明的类金属-氧化层半导体场效应管结构的碳纳米场效应管如图1所示，整个结构包括源极、漏极、沟道、栅氧化层2和双栅极结构，所述沟道由碳纳米管构成，所述碳纳米管上从临近源极一端向临近漏极一端依次为N型重掺杂区3、线性掺杂结构5、峰值掺杂结构4、本征碳纳米管6、线性掺杂结构5、N型重掺杂区3。氧栅化层2厚度为2nm，栅氧化层2的介电常数为16。源扩展区长度L_S和漏扩展区的长度L_D相等，取值为30nm，栅极长度为15.3nm。峰值掺杂结构4的长度为5nm，线性掺杂结构5的长度为15nm，N型重掺杂区3的掺杂浓度为1.0nm^-1，峰值掺杂结构4的掺杂浓度为1.3nm^-1。

本发明的一种优选实施例中，双栅极结构为关于沟道对称的两个栅极1，所述的两个栅极1为同种电介质材料填充形成。即顶栅和底栅，其采用功函数为4.4的锡金属作为栅极材料，器件沟道与两栅电极间用栅电介质填充。

本发明的另一种优选实施例中，碳纳米管上的临近源极一端的N型重掺杂区3和线性掺杂结构构5成源扩展区，长度为L_S，临近漏极一端的N型重掺杂区3和线性掺杂结构5，构成漏扩展区，长度为L_D，其中L_S＝L_D。器件的仿真是通过在模空间下构建紧束缚哈密顿量，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2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)的碳纳米管器件随着器件尺寸不断缩小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碳纳米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，通过自洽求解二维泊松和薛定谔方程，构建了适用于非均匀掺杂的碳纳米场效应管的输运模型，并利用该模型分析采用HALO-Linear掺杂策略对碳纳米场效应管(CNTFET)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，其中用碳纳米管作为导电沟道，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/漏扩展区均为N型重掺杂区3，另外在碳纳米管沟道靠近源区附近采用峰值(HALO)掺杂结构4，而在器件源区和漏区靠近沟道处分别采用线性掺杂结构5，最终形成峰值-对称线性掺杂结构。

C.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，自洽求解二维泊松和薛定谔方程。具体过程为：给定初始沟道电势，带入非平衡格林函数(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CNT沟道中的静电势，然后再将此电势重新代入非平衡格林函数(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，自洽求解二维泊松和薛定谔方程。具体过程是给定一个初始沟道电势，利用非平衡格林函数(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CNT沟道中的静电势，然后又将求得的电势重新代入非平衡格林函数(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2所示。本发明所计算的碳纳米场效应管的整个系统包括两个自能矩阵Σ_S和Σ_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[S.Datta,Nanoscale device modeling:the Green's function method.SuperlattMicrostruct2000；28(4):253]：

G(E)＝[(E+iη⁺)I-H-Σ_D-Σ_S]^-1         (1)

式中E为能量，η⁺是一个正无穷小量，I是单位矩阵，Σ_S和Σ_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。假设源漏区的电势与CNT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[VENUGOPALR,PAULSSON M,GOASGUEN S,et al.A simplequantum mechanical treatment of scattering nanoscale transistors[J].J Appl Phys,2003,93(9):5613-5625.]：

$n\left(r\right)={\∫}_{E_I}^{+\∞}\mathrm{dE}[{\mathrm{G\Γ}}_S{G}^{+}f(E-E_{\mathrm{FS}})+{\mathrm{G\Γ}}_D{G}^{+}f(E-E_{\mathrm{FD}})]$

$p\left(r\right)={\∫}_{-\∞}^{E_I}\mathrm{dE}\left\{{\mathrm{G\Γ}}_S{G}^{+}\right[1-f(E-E_{\mathrm{FS}})]+{\mathrm{G\Γ}}_D{G}^{+}[1-f(E-E_{\mathrm{FD}})\left]\right\}---\left(4\right)$

其中E_I为碳纳米管部分的费米能级，f是费米-狄拉克分布函数，E_FS(D)是源(漏)区的费米能级。

将求出的电子和空穴密度代入二维泊松方程以求解静电势，其中二维泊松方程可由下式表示

${\▿}^{2}U(r,z)=-\frac{e}{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ρ}(r,z)---\left(5\right)$

上式中U为静电势，ε是介电常数，ρ是掺杂浓度。最后，为了计算器件沟道电流，可以利用Landauer-Buttiker公式

$I=\frac{2q}{h}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}\mathrm{dET}\left(E\right)[f(E-E_{\mathrm{FS}})-f(E-E_{\mathrm{FD}})]---\left(6\right)$

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

T[E]＝Trace[ΓGΓG⁺]            (7)

在上述量子模型框架下，对采用不同掺杂策略的碳纳米场效应管的电流特性和开关特性进行了模拟分析。

1CNTFETs的电流特性

通过对比采用不同掺杂策略碳纳米场效应管(CNTFETs)的I-V电流特性，发现在相同栅压下，采用峰值-对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管(HL-CNTFET)输出电流最小，而常规CNTFET(C-CNTFET)的输出电流最大，且其电导要大于前者。然而，在同源漏偏压下，HL-CNTFET与C-CNTFET的开态电流几乎相等，C-CNTFET的关态电流较大，但HL-CNTFET的关态电流非常低，故其拥有更大的开关电流比。

2CNTFETs的亚阈值特性

为了研究不同掺杂策略对碳纳米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CNTFETs的亚阈值特性作了分析，对比结果表明HL-CNTFET拥有最理想的亚阈值摆幅，反映出该掺杂结构的栅控能力明显优于其他结构。

3CNTFETs的高频特性

为了探究采用HALO-Linear掺杂结构的碳纳米场效应管在高频特性方面的表现，对比了常规C-CNTFET、对称线性掺杂结构L-CNTFET、单HALO掺杂结构H-CNTFET和HALO结合对称线性掺杂结构HL-CNTFET在不同沟道长度时，它们的开关电流比、延迟时间、截止频率随沟道长度的变化关系。结果表明，随着沟道长度的增加，没有进行HALO掺杂结构的器件的开关电流比几乎不变，而采用HALO掺杂策略的器件的开关电流比在不断增大，其大小远大于前面两种掺杂策略的器件，这说明HL-CNTFET有很大的开关电流比是由HALO掺杂结构决定的。另一方面，四种结构中采用对称线性掺杂策略的两种器件的延迟时间较小，而采用HALO掺杂策略的两种器件的延迟时间较大，故HL-CNTFET的延迟时间的降低是因为对称线性掺杂结构的采用。同时，HL-CNTFET还有很高的截止频率。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (3)

1.一种峰值掺杂结合对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管，其特征在于，该场效应管包括源极V_s、漏极V_D、沟道、栅氧化层(2)和双栅极V_G结构，所述沟道由碳纳米管层构成，在所述碳纳米管层上从临近源极一端向临近漏极一端依次为N型重掺杂区(3)、线性掺杂结构(5)、峰值掺杂结构(4)、本征碳纳米管(6)、线性掺杂结构(5)、N型重掺杂区(3)；栅氧化层(2)位于碳纳米管层的两侧，在两栅氧化层(2)的外侧设有栅极(1)形成双栅极结构。

2.根据权利要求1所述的一种峰值掺杂结合对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管，其特征在于，所述的双栅极结构为关于沟道对称的两个栅极(1)，所述的两个栅极(1)为同种电介质材料填充形成。

3.根据权利要求1或2所述的一种峰值掺杂结合对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管，其特征在于，所述碳纳米管上的临近源极一端的N型重掺杂区(3)和线性掺杂结构(5)构成源扩展区，长度为L_S，临近漏极一端的N型重掺杂区(3)和线性掺杂结构(5)构成漏扩展区，长度为L_D，其中L_S＝L_D。