CN108428738A - 一种欠叠栅结构黑磷场效应管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种欠叠栅结构的黑磷场效应管，包括：导电沟道、源区、漏区、栅极氧化层、栅电极未覆盖沟道区、源极、漏极、栅极；所述的导电沟道、源区、漏区和栅电极未覆盖沟道区均采用黑磷材料制作，在所述的导电沟道、源区、漏区和栅电极未覆盖沟道区外，采用原子沉积等方法生成一层栅极氧化层，在栅极氧化层外再沉淀一层金属电极，作为新型欠叠栅结构的黑磷场效应管的栅极，新型欠叠栅结构的黑磷场效应管与传统结构黑磷场效应管相比，具备了很多的优点，具有更低的边缘场电容，更小的固有延迟时间、更短的功率延迟和更高的截止频率。
Description
技术领域
本发明涉及黑磷场效应管领域，尤其是在黑磷器件的结构对器件性能的优化方面。
背景技术
最近，由于其在电子，光学和热学设备中的潜在应用，分层黑磷(BP)受到了很多关注。在块状BP中，单个原子层通过范德华(vdW)相互作用堆叠在一起，并且单层BP可以从块状BP机械地剥离。黑磷场效应晶体管已经显示出优良的电性能，其开关电流比高达105，并且具有1000cm2V-1S-1的高迁移率。即使存在电子空穴散射和外来杂质散射，从黑磷场效应晶体管提取的载流子迁移率也高于过渡金属二硫族化合物(TMDCs)。理论研究还表明，与2DTMDC器件相比，黑磷场效应晶体管可能具有有前景的弹道器件性能。
与传统的块状半导体隧道晶体管(TFET)相比，使用2D材料可以实现更好的栅极控制和更小的漏电流，这是由于原子薄结构。低导通电流是所有TFET的主要问题，但由于隧道结处的电场较大，使用2D材料可能会实现更高的导通电流。此外，由于二维材料中没有表面悬挂键，所以2D TFET可以实现更小的亚阈值摆动(SS)和更小的器件尺寸。与其他二维材料(如流行的TMDCs)相比，BP具有0.3eV至2.0eV的可调谐直接带隙以及各向异性能带结构，这表明黑磷场效应晶体管中预期的导通电流比使用许多其他2D材料更高。
研究表明，黑磷场效应晶体管可以达到低于60mV/decade的SS并且具有较大的导通电流。虽然单层黑磷场效应晶体管的导通电流受到大带隙的限制，但是多层黑磷所具有的较小带隙可以得到更大的导通电流。
总而言之，黑磷凭借其优异的电学特性在未来纳米电子应用领域有着广阔的前景。不过由于传统的黑磷场效应管会出现双极性效应，且随着器件尺寸不断缩小，会出现短沟道效应，从而影响器件性能，所以需要设计一种适用于改善黑磷场效应管性能的新型结构。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对传统结构的黑磷场效应管随着器件尺寸不断缩小，会出现短沟道效应而引起器件性能下降问题，提供一种欠叠栅结构黑磷场效应管。
技术方案：一种欠叠栅结构黑磷场效应管，包括：导电沟道、源区、漏区、栅极氧化层、栅电极未覆盖沟道区、源极、漏极、栅极；所述的导电沟道、源区、漏区和栅电极未覆盖沟道区均采用黑磷材料制作，采用一根本征半导体黑磷，对本征半导体黑磷的两端采用分子或金属离子进行重掺杂后，分别作为新型欠叠栅结构的黑磷场效应管的源区、漏区，导电沟道位于本征半导体黑磷中间位置，栅电极未覆盖沟道区为导电沟道和源区、漏区之间的区域；在所述导电沟道、源区、漏区和栅电极未覆盖沟道区外，生成一层栅极氧化层，在栅极氧化层外再沉淀一层金属电极，作为栅极；所述源区和漏区分别与栅极均有一段距离，形成新型欠叠栅结构的黑磷场效应管的欠叠栅；在位于源区和漏区之上的栅极氧化层上分别刻蚀一源极引线孔和漏极引线孔，在该源极引线孔内制备所述源极，在漏极引线孔内制备所述漏极；所述的栅极氧化层和栅极都以同轴的方式环绕黑磷。
进一步的，所述栅极不完全覆盖整个沟道，源区、漏区与栅之间留有栅电极未覆盖沟道区。
进一步的，所述的源区、漏区距离栅极的长度分别为L1、L2，并且L1与L2相等。
进一步的，所述的源极和漏极均由导电金属制作。
进一步的，源区、漏区同为N型重掺杂或同为P型重掺杂。
进一步的，在所述导电沟道、源区、漏区和栅电极未覆盖沟道区外，采用原子沉积方法生成栅极氧化层。
有益效果：本发明提供的一种欠叠栅结构黑磷场效应管，加入了欠栅结构，欠栅的加入有效的减小了栅边缘的直接隧穿漏电流和栅漏间的寄生电容，使得器件的栅延迟减小，具有更小的固有延迟时间、更短的功率延迟和更高的截止频率；同时还减小了漏端的电场，减小了漏极的带间隧穿，从而减小了漏电流，提高了器件的高频特性。具有更低的边缘场电容，
附图说明
图1为本发明的垂直截面结构示意图；
图2为基于非平衡格林函数(NEGF)的自洽迭代求解过程。
图中：导电沟道1；源区2；漏区3；栅极氧化层4；栅电极未覆盖沟道区(underlap)5；源极6；漏极7；栅极8。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的垂直截面结构示意图。
如图1所示，欠叠栅结构黑磷场效应管，包括：导电沟道1、源区2、漏区3、栅极氧化层4、栅电极未覆盖沟道区(underlap)5、源极6、漏极7、栅极8；导电沟道1、源区2、漏区3和栅电极未覆盖沟道区5均采用黑磷材料制作，选取一根本征半导体黑磷，其最中间部分作为新型欠叠栅结构的黑磷场效应管的导电沟道1，对本征半导体黑磷的两端采用分子或金属离子进行N型重掺杂后，分别作为新型欠叠栅结构的黑磷场效应管的源区2、漏区3，沟道和源漏极之间的区域作为栅电极未覆盖沟道区5；在导电沟道1、源区2、漏区3和栅电极未覆盖沟道区5外，采用原子沉积等方法生成一层栅极氧化层4，在栅极氧化层4外再沉淀一层金属电极，作为栅极8(G)；源区2、漏区3与栅极8均有一段距离，形成新型欠叠栅结构的黑磷场效应管的欠叠栅；在位于源区2和漏区3之上的栅极氧化层4上分别刻蚀一源极引线孔和漏极引线孔，在该源极引线孔内制备所述的源极S，在漏极引线孔内制备所述的漏极7(D)；所述的栅极氧化层4和栅极8都以同轴的方式环绕黑磷；所述的新型欠叠栅结构的黑磷场效应管的异质栅中靠近源区2的金属栅材料功函数比靠近漏区3金属栅的功函数大，并且二者等长，均为栅极8长度的一半；所述的源区2和漏区3距离栅极8长度分别为L1、L2，并且L1与L2相等；所述的源极6(S)和漏极7均由导电金属制作。
针对传统的黑磷场效应管会出现双极性效应，且随着器件尺寸不断缩小，会出现短沟道效应而引起器件性能下降问题，考虑了欠叠栅器件的优点，一种新型欠叠栅结构的黑磷场效应管。
该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黑磷场效应管沟道中的静电势，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。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：
G(E)＝[(E+i0+)I-H-U-∑S-∑D]-1 (1)
式中E为能量，I是单位矩阵，U是解泊松方程得出的电势的对角矩阵，∑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，描述黑磷场效应管沟道的哈密顿矩阵[HSL]可表示为三对角矩阵的形式：
其中N为纳米带宽度中所含磷原子数目，NT是器件沟道内的原子总数等于传输方向上单位单元数的2N倍，αSL是带状宽度上每个独立单位组成的列，是一个是2N阶的对角矩；[βSL]是2N阶的对角矩阵用来描述两个列之间的耦合关系；[αu]是每个独立单元的哈密顿矩阵；[βu，w]描述了在宽度方向上每两个相邻单位单元之间的相互作用；[βu，L]描述了在运输方向上每两个相邻单位单元之间的相互作用；
另外，扶手型黑磷场效应管的能带结构在紧束缚近似下可以表示为：
其中，K是动量，αSL和βSL如前所述。我们使用格林函数来数值计算透射率和电子密度。然后，将电子密度放入泊松方程中以找出器件中的电势。电子密度和化学势在经过多次迭代后自洽地确定。当达到量子输运方程和泊松方程之间的自洽性时，通过使用如下的Landauer公式计算源漏电流密度：
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：
T(E)＝Trce[ΓS(E)G(E)ΓD(E)G′(E)] (7)
其中ΓS(D)是每个接触利用自能矩阵进行数值计算的扩张数量。
在上述量子模型框架下，比较分析了新型欠叠栅黑磷场效应管和一般黑磷场效应管的亚阈斜率、驱动电流、开关电流比、驱动电容、延时，以及电流增益截止频率等电学特性。研究结果表明，双欠叠栅器件结构与传统结构相比，具备了很多的优点，具有更低的泄漏电流，更高的电流开关比，更能抑制漏致势垒降低(DIBL)效应，并能够较好满足ITRS’10相关性能指标要求。
Claims (6)
1.一种欠叠栅结构黑磷场效应管，其特征在于，包括：导电沟道（1）、源区（2）、漏区（3）、栅极氧化层（4）、栅电极未覆盖沟道区（5）、源极（6）、漏极（7）、栅极（8）；所述的导电沟道（1）、源区（2）、漏区（3）和栅电极未覆盖沟道区（5）均采用黑磷材料制作，采用一根本征半导体黑磷，对本征半导体黑磷的两端采用分子或金属离子进行重掺杂后，分别作为新型欠叠栅结构的黑磷场效应管的源区（2）、漏区（3），导电沟道（1）位于本征半导体黑磷中间位置，栅电极未覆盖沟道区（5）为导电沟道（1）和源区（2）、漏区（3）之间的区域；在所述导电沟道（1）、源区（2）、漏区（3）和栅电极未覆盖沟道区（5）外，生成一层栅极氧化层（4），在栅极氧化层（4）外再沉淀一层金属电极，作为栅极（8）；所述源区（2）和漏区（3）分别与栅极（8）均有一段距离，形成新型欠叠栅结构的黑磷场效应管的欠叠栅；在位于源区（2）和漏区（3）之上的栅极氧化层（4）上分别刻蚀一源极引线孔和漏极引线孔，在该源极引线孔内制备所述源极（6），在漏极引线孔内制备所述漏极（7）；所述的栅极氧化层（4）和栅极（8）都以同轴的方式环绕黑磷。
2.根据权利要求1所述的欠叠栅结构的黑磷场效应管，其特征在于，所述栅极不完全覆盖整个沟道，源区（2）、漏区（3）与栅之间留有栅电极未覆盖沟道区（5）。
3.根据权利要求2所述的欠叠栅结构的黑磷场效应管，其特征在于，所述的源区（2）、漏区（3）距离栅极（8）的长度分别为L 1、L 2，并且L 1与L 2相等。
4.根据权利要求1所述的欠叠栅结构的黑磷场效应管，其特征在于，所述的源极（6）和漏极（7）均由导电金属制作。
5.根据权利要求1所述的欠叠栅结构的黑磷场效应管，其特征在于，源区（2）、漏区（3）同为N型重掺杂或同为P型重掺杂。
6.根据权利要求1所述的欠叠栅结构的黑磷场效应管，其特征在于，在所述导电沟道（1）、源区（2）、漏区（3）和栅电极未覆盖沟道区（5）外，采用原子沉积方法生成栅极氧化层（4）。
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