溝道長(cháng)度及源/漏區摻雜濃度對MOS-CNTFET輸運特性的影響

　　碳納米管場(chǎng)效應晶體管電子輸運性質(zhì)是其結構參量( 縱向結構參量: 如CNT 的直徑、柵介質(zhì)層厚度、介質(zhì)介電常數等; 橫向結構參量: 如溝道長(cháng)度、源/漏區摻雜濃度等) 的復雜函數。本論文在量子力學(xué)非平衡格林函數理論框架內，通過(guò)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。在此基礎上系統地研究了溝道長(cháng)度及源/漏區摻雜濃度對MOS-CNTFET 器件的漏極導通電流、關(guān)態(tài)泄漏電流、開(kāi)關(guān)態(tài)電流比、閾值電壓、亞閾值擺幅及雙極性傳導等輸運性質(zhì)的影響。結果表明: 當溝道長(cháng)度在15 nm 以上時(shí)，上述各性質(zhì)受溝道長(cháng)度的影響均較小，而導通電流、開(kāi)關(guān)態(tài)電流比及雙極性傳導特性與源/漏摻雜濃度的大小有關(guān)，開(kāi)關(guān)態(tài)電流比與摻雜濃度正相關(guān)，導通電流及雙極性導電特性與源/漏摻雜濃度負相關(guān)。當溝道長(cháng)度小于15 nm 時(shí)，隨溝道長(cháng)度減小，漏極導通電流呈增加趨勢，但同時(shí)導致器件閾值電壓及開(kāi)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現象嚴重，短溝道效應增強，此時(shí)，通過(guò)適當降低源/漏摻雜區摻雜濃度，可一定程度地減弱MOS-CNTFET 器件短溝道效應。

　　碳納米管( Carbon nanotube，CNT) 自1991 年被發(fā)現以來(lái)，由于具有獨特的準一維幾何結構，對稱(chēng)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(diǎn),根據卷曲手性的不同，CNT 可分為金屬型和半導體型。利用半導體型CNT 的電子輸運特性可制作PN結、場(chǎng)效應晶體管( field-effect transistor，FET) 邏輯柵電路等。CNTFET 具有電子遷移率高，可實(shí)現彈

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

　　根據CNTFET 源/漏端構建方式的不同，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，分別對應類(lèi)MOS 碳納米管場(chǎng)效應管(MOSCNTFET)及肖特基勢壘碳納米管場(chǎng)效應管( SB-CNFET)。其中,MOS-CNTFET 與SB-CNTFET 相比,通過(guò)將源/漏區重摻雜，使其增加了導通電流，減小了關(guān)態(tài)泄漏電流，減弱了雙極性傳導現象，從而具有了更好的器件性能，因此最近幾年來(lái)受到了更大關(guān)注。MOS-CNTFET 輸運特性是其結構的多參量復雜函數體系，結構參量包括縱向結構參量，如CNT的直徑、柵介質(zhì)層厚度、介質(zhì)的介電常數等以及橫向結構參量，如溝道長(cháng)度、源/漏區摻雜濃度等。結構參數選取的不同，MOS-CNTFET 器件所表現出的性能就會(huì )有所不同。因而，需要更多地關(guān)注如何合理選擇MOS-CNTFET 的結構參量，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、介電常數等對MOS-CNTFET 器件性能的影響。文獻研究了溝道長(cháng)度對器件導通電流、亞閾值斜率、漏致勢壘降低效應的影響，但局限于實(shí)驗觀(guān)察�？傮w來(lái)看，缺乏系統地研究溝道長(cháng)度和源/漏區摻雜濃度對MOS-CNTFET 器件性能的影響。而且，隨著(zhù)具體器件制造水平的不斷提高,已有報道，CNTFET 的溝道長(cháng)度已可小于20 nm�；�于此，本文重點(diǎn)從理論上分析溝道尺寸縮小到25nm 以下( 5~ 25 nm) 時(shí)，溝道長(cháng)度和源/漏區的摻雜濃度對MOS-CNTFET 器件短溝道效應的若干因素的影響，因為短溝道效應出現將導致器件功耗增加，性能變差。

　　由于納米電子器件中量子效應明顯，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(wèn)題,運用非平衡格林函數( 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，系統地分析了溝道長(cháng)度以及源/漏區摻雜濃度對MOS-CNTFET 器件的漏極導通電流、閾值電壓、漏極關(guān)斷電流、開(kāi)關(guān)態(tài)電流比、亞閾值擺幅及雙極性傳導等輸運性質(zhì)的影響。

1、器件模型結構

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

圖1 同軸環(huán)繞柵MOS-CNTFET 的幾何結構

結論

　　利用量子力學(xué)中的NEGF 方法，通過(guò)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(jìn)行建模。依此模型重點(diǎn)考查了在溝道長(cháng)度為5~ 25 nm 尺度范圍內溝道長(cháng)度和源/漏區摻雜濃度對MOS-CNTFET 器件的導通電流、關(guān)態(tài)泄漏電流、開(kāi)關(guān)態(tài)電流比、閾值電壓、亞閾值擺幅及雙極性傳導等輸運性質(zhì)的影響，同時(shí)給出了合理的解釋。研究結果表明在文中所給模型參數的條件下，在溝道長(cháng)度為15 nm 以上，MOS-CNTFET 的短溝道效應不明顯，而當溝道長(cháng)度減小到15 nm 以下，電流開(kāi)關(guān)比開(kāi)始下降，亞閾值擺幅開(kāi)始增加，當溝道長(cháng)度小到10nm 左右時(shí)，器件的關(guān)態(tài)電流明顯增加、閾值電壓迅速減小，開(kāi)始表現出短溝道效應。而從源/漏摻雜濃度的角度來(lái)看，從SB-CNTFET 結構發(fā)展到MOSCNTFET結構，就是通過(guò)將源/漏區重摻雜，才增加了導通電流，減小了關(guān)態(tài)泄漏電流，減弱了雙極性傳導現象，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(shí)，源/漏摻雜濃度過(guò)高反而會(huì )導致短溝道效應變得嚴重，器件性能變差。說(shuō)明只有通過(guò)合理選擇溝道長(cháng)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(shí)驗上制備小尺寸MOS-CNTFET 器件起到一定的幫助與指導作用。