CN108493250A - 一种非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管，包括非对称线性峰值掺杂的导电沟道、未掺杂的本征导电沟道、源区、漏区、栅极氧化层、源极、漏极、栅极；所述的线性峰值掺杂的导电沟道、未掺杂的本征导电沟道、源区、漏区均采用黑磷材料制作，在线性峰值掺杂的导电沟道、未掺杂的本征导电沟道、源区、漏区外，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，作为非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管的栅极。本发明源/漏区和沟道之间的带间隧穿显著减少，作为隧穿效应减小的结果，得到了更低的漏电流和更高的开关电流比，并且在固定的开/关电流比率下，非对称线性峰值掺杂结构比起传统结构具有较低的延迟和PDP。
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沟道掺杂优化方面。
背景技术
石墨烯的成功分离激发了近十年来对二维(2D)材料的研究工作的迅速发展。最近，黑磷被重新视为一种具有高空穴迁移率和中等开/关比的新型2D材料运用在黑磷场效应晶体管上。在几种磷的同素异形体中，黑磷在环境压力下具有最稳定的晶体结构。它是通过替代堆叠磷杂环烯层而形成的，其中磷原子形成起皱的蜂窝状晶格。这种结构不同于其他磷元素(第15族)晶体的A7结构。黑磷是继锗和硅之后实现的第三个元素半导体与半金属石墨烯具有零带隙和单层MOS2具有直接带隙约1.8eV不同，黑磷显示随厚度而定的直接带隙，其从约0.3eV(块状)变化到＞1.4eV(单层)。这种可调带隙有利于光电子应用(如光电晶体管，pn二极管和太阳能电池)。另外，由于其面内晶格的褶皱性质，BP显示出有趣的各向异性性质。几项研究已经探索了BP中的各向异性输运，这使得BP可以用于可能利用各向异性特性的新型电子和光电子器件当中。
可以预见，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，迫切需要提出一种用于改善常规黑磷场效应管电学性能的新型掺杂策略。
发明内容
发明目的：针对传统结构的黑磷场效应管中众所周知的双极性效应，大大限制了器件的性能；而传统结构的黑磷场效应管的带间隧道效应，又导致了双极性传导；又因此，漏电流往往会大到难以忍受，本发明提出了一种非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管。
技术方案：一种非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管，包括：非对称线性峰值掺杂的导电沟道、未掺杂的本征导电沟道、源区、漏区、栅极氧化层、源极、漏极、栅极；非对称线性峰值掺杂的导电沟道、未掺杂的本征导电沟道、源区、漏区采用一根本征半导体黑磷制作而成；对本征半导体黑磷的两端采用分子或金属离子进行第一杂质重掺杂后，分别作为源区和漏区，本征半导体黑磷的中间部分分为两部分，靠近源极的部分作为非对称线性峰值掺杂的导电沟道，靠近漏极的部分作为未掺杂的本征导电沟道，非对称线性峰值掺杂导电沟道通过第二杂质掺杂逐渐掺杂，掺杂浓度从源极侧向黑磷中间线性减小；在非对称线性峰值掺杂的导电沟道、未掺杂的本征导电沟道、源区、漏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；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的源极，在漏极引线孔内制备所述的漏极。
进一步的，非对称线性峰值掺杂导电沟道靠近源区侧的掺杂浓度为最大水平，远离源区侧的浓度为零。
进一步的，源区和漏区为N型重掺杂，非对称线性峰值掺杂的导电沟道为P型掺杂。
进一步的，非对称线性峰值掺杂的导电沟道与未掺杂的本征导电沟道构成完整导电沟道。
进一步的，非对称线性峰值掺杂的导电沟道与未掺杂的本征导电沟道横向长度相等。
有益效果：本发明提出了一种非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管，可以抑制带间隧穿，提高器件性能。非对称线性峰值掺杂结构的黑磷场效应管掺杂浓度在源侧达到最大值，在沟道中间逐渐减小到零。沟道源侧的掺杂分布降低了漏极感应势垒下降(DIBL)，抑制了带间隧道效应，并且这种掺杂方式还能有效增加电子和空穴的复合率。与具有相等饱和电流的峰值掺杂结构相比，所提出的非对称线性峰值掺杂结构结构表现出更好的特性和短沟道参数。此外，在固定的开/关电流比率下，非对称线性峰值掺杂结构比起传统结构具有较低的延迟和PDP。
附图说明
图1本发明的垂直截面结构示意图；
图2为本发明黑磷场效应管掺杂剖面从左至右的掺杂浓度示意图；
图3为基于非平衡格林函数(NEGF)的自洽迭代求解过程。
图中，非对称线性峰值掺杂的导电沟道2、未掺杂的本征导电沟道3、源区1、漏区4、栅极氧化层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。
如图1所示，非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管包括：非对称线性峰值掺杂的导电沟道2、未掺杂的本征导电沟道3、源区1、漏区4、栅极氧化层5、源极6、漏极7、栅极8；非对称线性峰值掺杂的导电沟道2、未掺杂的本征导电沟道3、源区1、漏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N型重掺杂后，分别作为非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管的源区2、漏区3，其最中间部分从中间划分为相等的两部分，靠近源极6的部分作为非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管的非对称线性峰值掺杂的导电沟道2，靠近漏极7的部分作为未掺杂的本征导电沟道3，非对称线性峰值掺杂导电沟道通过P型掺杂逐渐掺杂，掺杂浓度在源极6侧处于最大水平，并且在通道中间向着零线性减小；所述的线性峰值掺杂的导电沟道2、未掺杂的本征导电沟道3、源区1、漏区4外，采用原子沉积等方法生成一层栅极氧化层5，在栅极氧化层5外再沉淀一层金属电极，作为非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管的栅极8(G)；在位于源区2和漏区3之上的栅极氧化层5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6(S)，在漏极引线孔内制备所述的漏极7(D)。
针对传统结构的黑磷场效应管中众所周知的双极性效应，这大大限制了器件的性能；而传统结构的黑磷场效应管的带间隧道效应，又导致了双极性传导；又因此，漏电流往往会大到难以忍受。所以本实施例提出一种采用非对称线性峰值掺杂结构的新型黑磷场效应管。
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+iO+)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)＝Trace[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，比较分析了非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管和一般黑磷场效应管的电学特性。仿真结果表明，由于沟道源侧势垒高度较高，短沟道效应受到抑制。非对称线性峰值掺杂结构比起传统结构和普通非对称峰值掺杂结构来说，源/漏区和沟道之间的带间隧穿比常规显著减少。作为隧穿效应减小的结果，得到了更低的漏电流和更高的开关电流比。并且在固定的开/关电流比率下，非对称线性峰值掺杂结构比起传统结构具有较低的延迟和PDP。这些特性证明了非对称线性峰值掺杂结构的优越性。
Claims (5)
1.一种非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管，其特征在于，包括：非对称线性峰值掺杂的导电沟道（2）、未掺杂的本征导电沟道（3）、源区（1）、漏区（4）、栅极氧化层（5）、源极（6）、漏极（7）、栅极（8）；非对称线性峰值掺杂的导电沟道（2）、未掺杂的本征导电沟道（3）、源区（1）、漏区（4）采用一根本征半导体黑磷制作而成；对本征半导体黑磷的两端采用分子或金属离子进行第一杂质重掺杂后，分别作为源区（2）和漏区（3），本征半导体黑磷的中间部分分为两部分，靠近源极（6）的部分作为非对称线性峰值掺杂的导电沟道（2），靠近漏极（7）的部分作为未掺杂的本征导电沟道（3），非对称线性峰值掺杂导电沟道（2）通过第二杂质掺杂逐渐掺杂，掺杂浓度从源极（6）侧向黑磷中间线性减小；在非对称线性峰值掺杂的导电沟道（2）、未掺杂的本征导电沟道（3）、源区（1）、漏区（4）外生成一层栅极氧化层（5），在栅极氧化层（5）外再沉淀一层金属电极，作为栅极（8）；在位于源区（2）和漏区（3）之上的栅极氧化层（5）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（6），在漏极引线孔内制备所述的漏极（7）。
2.根据权利要求1所述的非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管，其特征在于，非对称线性峰值掺杂导电沟道（2）靠近源区（2）侧的掺杂浓度为最大水平，远离源区（2）侧的浓度为零。
3.根据权利要求1所述的非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管，其特征在于，源区（2）和漏区（3）为N型重掺杂，非对称线性峰值掺杂的导电沟道（2）为P型掺杂。
4.根据权利要求1所述的非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管，其特征在于，非对称线性峰值掺杂的导电沟道（2）与未掺杂的本征导电沟道（3）构成完整导电沟道。
5.根据权利要求1所述的非对称线性峰值掺杂的黑磷场效应管，其特征在于，非对称线性峰值掺杂的导电沟道（2）与未掺杂的本征导电沟道（3）横向长度相等。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Jiang Bin Inventor after: Shen Zhihao Inventor after: Zhao Jianfei Inventor after: Wang Wei Inventor before: Shen Zhihao Inventor before: Jiang Bin Inventor before: Zhao Jianfei Inventor before: Wang Wei |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180904 |