溝道長度及源/漏區(qū)摻雜濃度對MOS-CNTFET輸運特性的影響

　　碳納米管場效應(yīng)晶體管電子輸運性質(zhì)是其結(jié)構(gòu)參量( 縱向結(jié)構(gòu)參量: 如CNT 的直徑、柵介質(zhì)層厚度、介質(zhì)介電常數(shù)等; 橫向結(jié)構(gòu)參量: 如溝道長度、源/漏區(qū)摻雜濃度等) 的復(fù)雜函數(shù)。本論文在量子力學(xué)非平衡格林函數(shù)理論框架內(nèi)，通過自洽求解泊松方程和薛定諤方程以得到MOS-CNTFET 電子輸運特性。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地研究了溝道長度及源/漏區(qū)摻雜濃度對MOS-CNTFET 器件的漏極導(dǎo)通電流、關(guān)態(tài)泄漏電流、開關(guān)態(tài)電流比、閾值電壓、亞閾值擺幅及雙極性傳導(dǎo)等輸運性質(zhì)的影響。結(jié)果表明: 當溝道長度在15 nm 以上時，上述各性質(zhì)受溝道長度的影響均較小，而導(dǎo)通電流、開關(guān)態(tài)電流比及雙極性傳導(dǎo)特性與源/漏摻雜濃度的大小有關(guān)，開關(guān)態(tài)電流比與摻雜濃度正相關(guān)，導(dǎo)通電流及雙極性導(dǎo)電特性與源/漏摻雜濃度負相關(guān)。當溝道長度小于15 nm 時，隨溝道長度減小，漏極導(dǎo)通電流呈增加趨勢，但同時導(dǎo)致器件閾值電壓及開關(guān)電流比減小，關(guān)態(tài)漏電流及亞閾值擺幅增大且雙極性傳導(dǎo)現(xiàn)象嚴重，短溝道效應(yīng)增強，此時，通過適當降低源/漏摻雜區(qū)摻雜濃度，可一定程度地減弱MOS-CNTFET 器件短溝道效應(yīng)。

　　碳納米管( Carbon nanotube，CNT) 自1991 年被發(fā)現(xiàn)以來，由于具有獨特的準一維幾何結(jié)構(gòu)，對稱的能帶、直接帶隙，以及其它優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)掀起了世界范圍的研究熱潮。其中非常重要的一點,根據(jù)卷曲手性的不同，CNT 可分為金屬型和半導(dǎo)體型。利用半導(dǎo)體型CNT 的電子輸運特性可制作PN結(jié)、場效應(yīng)晶體管( field-effect transistor，F(xiàn)ET) 邏輯柵電路等。CNTFET 具有電子遷移率高，可實現(xiàn)彈

　　道輸運，跨導(dǎo)高、亞閾值擺幅小等優(yōu)異特性，使其應(yīng)用于納米集成電路成為可能。

　　根據(jù)CNTFET 源/漏端構(gòu)建方式的不同，CNT 與源/漏電極之間的接觸可分為歐姆接觸和肖特基接觸兩種，分別對應(yīng)類MOS 碳納米管場效應(yīng)管(MOSCNTFET)及肖特基勢壘碳納米管場效應(yīng)管( SB-CNFET)。其中,MOS-CNTFET 與SB-CNTFET 相比,通過將源/漏區(qū)重摻雜，使其增加了導(dǎo)通電流，減小了關(guān)態(tài)泄漏電流，減弱了雙極性傳導(dǎo)現(xiàn)象，從而具有了更好的器件性能，因此最近幾年來受到了更大關(guān)注。MOS-CNTFET 輸運特性是其結(jié)構(gòu)的多參量復(fù)雜函數(shù)體系，結(jié)構(gòu)參量包括縱向結(jié)構(gòu)參量，如CNT的直徑、柵介質(zhì)層厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)等以及橫向結(jié)構(gòu)參量，如溝道長度、源/漏區(qū)摻雜濃度等。結(jié)構(gòu)參數(shù)選取的不同，MOS-CNTFET 器件所表現(xiàn)出的性能就會有所不同。因而，需要更多地關(guān)注如何合理選擇MOS-CNTFET 的結(jié)構(gòu)參量，以對器件的速度、功耗、面積等因素做折中的考慮或是側(cè)重提高其中某一方面性能。

　　在已有的研究工作中，文獻研究了CNT 的直徑、柵介質(zhì)層厚度、介電常數(shù)等對MOS-CNTFET 器件性能的影響。文獻研究了溝道長度對器件導(dǎo)通電流、亞閾值斜率、漏致勢壘降低效應(yīng)的影響，但局限于實驗觀察�？傮w來看，缺乏系統(tǒng)地研究溝道長度和源/漏區(qū)摻雜濃度對MOS-CNTFET 器件性能的影響。而且，隨著具體器件制造水平的不斷提高,已有報道，CNTFET 的溝道長度已可小于20 nm�；�于此，本文重點從理論上分析溝道尺寸縮小到25nm 以下( 5~ 25 nm) 時，溝道長度和源/漏區(qū)的摻雜濃度對MOS-CNTFET 器件短溝道效應(yīng)的若干因素的影響，因為短溝道效應(yīng)出現(xiàn)將導(dǎo)致器件功耗增加，性能變差。

　　由于納米電子器件中量子效應(yīng)明顯，電子器件處于非平衡態(tài)，因此處理納米器件中電子輸運問題,運用非平衡格林函數(shù)( Non-equilibrium Green Function,NEGF) 理論是該領(lǐng)域公認合理的建模方法。本文基于NEGF 理論，系統(tǒng)地分析了溝道長度以及源/漏區(qū)摻雜濃度對MOS-CNTFET 器件的漏極導(dǎo)通電流、閾值電壓、漏極關(guān)斷電流、開關(guān)態(tài)電流比、亞閾值擺幅及雙極性傳導(dǎo)等輸運性質(zhì)的影響。

1、器件模型結(jié)構(gòu)

　　模擬中所采用的MOS-CNTFET 的幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示。CNT 選取具有半導(dǎo)體性的手性為( 17，0) 的鋸齒型管。固定源/漏區(qū)長度各為20 nm，源/漏區(qū)采用N 型均勻重摻雜構(gòu)成，摻雜濃度為0.5~ 2.5nm- 1( CNT 中碳原子濃度為每納米4n/3acc 個原子) ，本征溝道區(qū)長度取為5~ 25 nm。柵介質(zhì)層及柵電極均采用柱狀環(huán)繞CNT 溝道結(jié)構(gòu)，柵介質(zhì)采用ZrO2 高K 材料，其相對介電常數(shù)為25，介質(zhì)材料環(huán)繞整個CNT 表面，其厚度為2 nm。柵電極環(huán)繞整個本征溝道區(qū)。

圖1 同軸環(huán)繞柵MOS-CNTFET 的幾何結(jié)構(gòu)

結(jié)論

　　利用量子力學(xué)中的NEGF 方法，通過自洽求解泊松方程和薛定諤方程，對MOS-CNTFET 器件的輸運性質(zhì)進行建模。依此模型重點考查了在溝道長度為5~ 25 nm 尺度范圍內(nèi)溝道長度和源/漏區(qū)摻雜濃度對MOS-CNTFET 器件的導(dǎo)通電流、關(guān)態(tài)泄漏電流、開關(guān)態(tài)電流比、閾值電壓、亞閾值擺幅及雙極性傳導(dǎo)等輸運性質(zhì)的影響，同時給出了合理的解釋。研究結(jié)果表明在文中所給模型參數(shù)的條件下，在溝道長度為15 nm 以上，MOS-CNTFET 的短溝道效應(yīng)不明顯，而當溝道長度減小到15 nm 以下，電流開關(guān)比開始下降，亞閾值擺幅開始增加，當溝道長度小到10nm 左右時，器件的關(guān)態(tài)電流明顯增加、閾值電壓迅速減小，開始表現(xiàn)出短溝道效應(yīng)。而從源/漏摻雜濃度的角度來看，從SB-CNTFET 結(jié)構(gòu)發(fā)展到MOSCNTFET結(jié)構(gòu)，就是通過將源/漏區(qū)重摻雜，才增加了導(dǎo)通電流，減小了關(guān)態(tài)泄漏電流，減弱了雙極性傳導(dǎo)現(xiàn)象，使其比SB-CNTFET 具有更好的器件性能,但是當器件的尺寸縮小到15 nm 甚至10 nm 以下時，源/漏摻雜濃度過高反而會導(dǎo)致短溝道效應(yīng)變得嚴重，器件性能變差。說明只有通過合理選擇溝道長度及源/漏摻雜濃度才能一定程度地改善MOSCNTFET器件性能。本研究為實驗上制備小尺寸MOS-CNTFET 器件起到一定的幫助與指導(dǎo)作用。