提高沟道长度亚10nm石墨烯TFET性能的方法转让专利
申请号 : CN202011084056.1
文献号 : CN112289856B
文献日 : 2023-03-07
发明人 : 钱嘉楠 , 王晶 , 赵文生 , 胡月 , 王高峰
申请人 : 杭州电子科技大学
摘要 :
本发明公开了一种提高沟道长度亚10nm石墨烯TFET性能的方法。如何缩短器件的尺寸是场效应晶体管研究的一个重要方向。本发明用应变石墨烯条带代替常规均匀石墨烯条带作导电材料，利用应变石墨烯条带高开关特性、低亚阈值摆幅的优点来补偿沟道长度缩短引起的性能衰减。本发明通过调整跃迁能来模拟施加在石墨烯条带上的应变，通过修改原子坐标来模拟应变对条带结构的改变，并将应变力度调整为4.5％，使器件的开关特性提升了103，亚阈值摆幅降低了62％，让其在7nm的沟道长度下也能保持正常功能，缩短了器件的尺寸。
权利要求 :
1.一种沟道长度亚10 nm石墨烯TFET，其特征在于包括顶栅、底栅、栅氧化层、应变处理后石墨烯条带，其中栅氧化层分为顶部栅氧化层、底部栅氧化层，石墨烯条带设置在顶部栅氧化层、底部栅氧化层之间；石墨烯条带分为源区、漏区和沟道区，其中中间位置为沟道区，源区和漏区间隔分布在沟道区两侧；顶栅设置在顶部栅氧化层的上方，与沟道区位置相对应；底栅设置在底部栅氧化层的下方，与沟道区位置相对应；沟道长度为亚10 nm，即≤
10nm；
所述的应变处理后石墨烯条带为将石墨烯条带施加一定的应变力，使得石墨烯条带产生电流传输方向的应变，以增长或缩短石墨烯结构中的碳‑碳键，改变原子间的跃迁能；其中石墨烯条带产生电流传输方向的应变强度范围为‑1%～+7%；
所述的石墨烯条带是有带隙的单层石墨烯纳米条带。
2.如权利要求1所述的一种沟道长度亚10 nm石墨烯TFET，其特征在于所述的源区、漏区和沟道区的宽度相等。
3.如权利要求1所述的一种沟道长度亚10 nm石墨烯TFET，其特征在于所述的石墨烯条带为扶手椅型石墨烯纳米条带。
4.如权利要求1所述的一种沟道长度亚10 nm石墨烯TFET，其特征在于所述的栅氧化层采用SiO2材料。
5.如权利要求1所述的一种沟道长度亚10 nm石墨烯TFET，其特征在于石墨烯条带拉伸至应变为+4.5%，石墨烯条带沟道长度为7 nm。
6.一种提高沟道长度亚10 nm石墨烯TFET性能的方法，其特征在于对亚10 nm沟道长度石墨烯条带TFET的石墨烯条带施加一定的应变力，使得石墨烯条带产生电流传输方向的应变，以增长或缩短石墨烯结构中的碳‑碳键，改变原子间的跃迁能；其中石墨烯条带应变强度范围为‑1%～+7%；
所述的石墨烯条带是有带隙的单层石墨烯纳米条带。
说明书 :
提高沟道长度亚10nm石墨烯TFET性能的方法
技术领域
[0001] 本发明属于石墨烯条带隧穿场效应晶体管(TFET)技术领域，涉及了一种提高沟道长度亚10nm石墨烯条带TFET性能的方法，提供了一类双栅石墨烯条带TFET器件结构。
背景技术
[0002] 物联网和人工智能的应用改变了现代人的生活方式，而其快速的发展离不开电子芯片集成密度的不断提升。伴随晶体管尺寸的等比例缩小，在芯片尺寸进入纳米级时，传统晶体管器件(金属氧化物场效应晶体管：MOSFET)开始出现短沟道效应、亚阈值摆幅退化等现象，导致MOSFET器件逐渐无法满足高集成密度芯片发展的需求。开发新型半导体器件是当前芯片产业进步的必要的途径，我们可以从寻找新型结构和新颖材料两方面展开研究。隧穿场效应晶体管(TFET)是基于载流子隧穿效应的量子力学器件，新的沟道电流产生机制使该类型半导体器件能够从理论上突破传统MOSFET亚阈值摆幅无法减小到60mV/dec以下的限制；同时，二维材料单层石墨烯，凭借其超高的载流子迁移率，良好的导电性、导热性以及高的机械强度，成为替代硅制作半导体器件的理想材料。
[0003] 然而对于石墨烯TFET器件，当沟道长度持续缩短至10nm以下时，相继出现泄漏电流过大等问题，因此如何获得亚10nm的新型晶体管结构是本发明专利拟解决的主要问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的至少是如何使得高性能石墨烯TEFT器件在保持亚10nm沟道长度的前提下不会出现泄漏、电流过大等问题，提供一种提高沟道长度亚10nm石墨烯条带TFET性能的方法，石墨烯条带TFET是以应变石墨烯条带作为导电材料的双栅TFET结构，利用其高开关电流比、低亚阈值摆幅的优势补偿沟道长度缩短引起的性能衰减。
[0005] 本发明方法是对现有亚10nm沟道长度石墨烯条带TFET的石墨烯条带施加一定的应变力，使得石墨烯条带产生电流传输方向的应变，石墨烯条带应变强度范围为‑1％～+7％，负数表示压缩，正数表示拉伸，以增长或缩短石墨烯结构中的碳‑碳键，改变原子间的跃迁能；
[0006] 作为优选，现有亚10nm沟道长度石墨烯条带TFET包括顶栅、底栅、栅氧化层、石墨烯条带，其中栅氧化层分为顶部栅氧化层、底部栅氧化层，石墨烯条带设置在顶部栅氧化层、底部栅氧化层之间；石墨烯条带分为源区、漏区和沟道区，其中中间位置为沟道区，源区和漏区间隔分布在沟道区两侧。顶栅设置在顶部栅氧化层的上方，与沟道区位置相对应；底栅设置在底部栅氧化层的下方，与沟道区位置相对应。沟道长度为亚10nm，即≤10nm。
[0007] 作为优选，所述的源区、漏区和沟道区的宽度相等。
[0008] 作为优选，所述的石墨烯条带为扶手椅型石墨烯纳米条带，所述的石墨烯条带是有带隙的单层石墨烯纳米条带。
[0009] 作为优选，所述的栅氧化层采用SiO2材料。
[0010] 作为优选，石墨烯条带拉伸至应变为+4.5％，石墨烯条带沟道长度为7nm。本发明通过调整跃迁能来模拟施加在石墨烯条带上的应变，通过修改原子坐标来模拟应变对条带3
结构的改变，并将应变力度调整为4.5％，使器件的开关特性提升了10 ，亚阈值摆幅降低了
62％，让其在7nm的沟道长度下也能保持正常功能，缩短了器件的尺寸。
结构的改变，并将应变力度调整为4.5％，使器件的开关特性提升了10 ，亚阈值摆幅降低了
62％，让其在7nm的沟道长度下也能保持正常功能，缩短了器件的尺寸。
[0011] 本发明的另一个目的是提供高性能沟道长度亚10nm石墨烯TFET，包括顶栅、底栅、栅氧化层、应变处理后石墨烯条带，其中栅氧化层分为顶部栅氧化层、底部栅氧化层，石墨烯条带设置在顶部栅氧化层、底部栅氧化层之间；石墨烯条带分为源区、漏区和沟道区，其中中间位置为沟道区，源区和漏区间隔分布在沟道区两侧。顶栅设置在顶部栅氧化层的上方，与沟道区位置相对应；底栅设置在底部栅氧化层的下方，与沟道区位置相对应。沟道长度为亚10nm，即≤10nm。
[0012] 作为优选，所述的源区、漏区和沟道区的宽度相等。
[0013] 作为优选，所述的石墨烯条带为扶手椅型石墨烯纳米条带，所述的石墨烯条带是有带隙的单层石墨烯纳米条带。
[0014] 作为优选，所述的栅氧化层采用SiO2材料。
[0015] 所述的应变处理后石墨烯条带为将石墨烯条带施加一定的应变力，使得石墨烯条带产生电流传输方向的应变，应变强度范围为‑1％～+7％，负数表示压缩，正数表示拉伸，以增长或缩短石墨烯结构中的碳‑碳键，改变原子间的跃迁能。
[0016] 石墨烯条带施加垂直于条带宽度方向的应变，可增长或缩短石墨烯结构中的碳‑碳键，改变原子间的跃迁能，进而影响条带的能带结构，影响导带和价带间的带隙。导带和价带间的带隙变化直接决定了载流子在不同导带和价带间的隧穿能力，调控器件源漏间的隧穿电流。本发明通过设定条带中的原子坐标可以模拟不同程度应变条件下的碳‑碳键长的变化，根据公式
[0017]
[0018] 修改原子间的跃迁能t模拟该应变条件下的能带变化，最后利用NanoTACD ViDES，获得不同应变条件下的器件电流特性。
[0019] 本发明的有益效果是：
[0020] 本发明缩短了器件的沟道长度，减小了亚阈值摆幅，降低了关态电流，提升了开关电流比。
附图说明
[0021] 图1是本发明的应变石墨烯条带原子结构示意图，箭头方向代表应变沿条带宽度的垂直方向。
[0022] 图2是本发明的器件结构示意图。
[0023] 图3(a)是不同沟道长度下沟道电流随栅压的变化；(b)是不同沟道长度下开关特性的变化；(c)是不同沟道长度下亚阈值摆幅得变化；其中源、漏长10nm，条带宽1.37nm，氧化层厚度1nm，源(漏)掺杂浓度为‑5e‑3(5e‑3)，源漏偏压0.1V，应变为0。
[0024] 图4(a)是不同应变条件下沟道电流随栅压的变化；(b)是不同应变条件下开关特性的变化；(c)是不同应变条件下亚阈值摆幅的变化；其中源、漏长10nm，沟道长7nm，条带宽1.37nm，氧化层厚度1nm，源(漏)掺杂浓度为‑5e‑3(5e‑3)，源漏偏压0.1V。
[0025] 图5本发明关态时的态密度分布图，其中Vgs＝0.05V，Vds＝0.1V。
[0026] 图6本发明开态时的态密度分布图，其中Vgs＝0.8V，Vds＝0.1V。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0028] 1.模型建立和计算方法
[0029] 本发明采用图1所示的应变石墨烯条带，例证应变效应可以用来缩短沟道长度。
[0030] 应变石墨烯条带双栅隧穿场效应晶体管如图2所示，包括顶栅1、底栅2、栅氧化层、源区、漏区和沟道，其中，栅氧化层包括顶部栅氧化层3及底部栅氧化层4，采用SiO2材料；源区5‑1、漏区5‑3和沟道5‑2位于顶部栅氧化层及底部栅氧化层之间；底栅2位于底部栅氧化层4下方，顶栅1位于顶部栅氧化层3上方，且顶栅1和底栅2在长度方向上均与沟道5‑2对齐设置；源区、漏区以及源区与漏区之间的沟道统一采用宽度(W)为1.37nm的扶手椅型石墨烯条带，施加应变的方向为电流传输方向，如图1箭头所示方向。
[0031] 在源区与漏区间施加偏压，调控顶栅和底栅栅压能够在器件内形成从源端到漏端的定向电流。本发明中沟道电流大小的数值结果通过在NanoTCAD ViDES软件中仿真得到，源(漏)端掺杂为‑5e‑3(5e‑3)，沟道无掺杂，计算过程中器件各部分参数设置如表1所示。
[0032] 表1器件参数
[0033] 参数名称 LS LD LC LG W T1 T2长度(nm) 10 10 7 7 1.37 1 1
[0034] 表中，LS为源区的长度，LC为沟道的长度，LD为漏区的长度，LG为顶栅1和底栅2的长度，T1为顶部栅氧化层3厚度，T2为底部栅氧化层4厚度。
[0035] 本发明通过调整跃迁t来模拟施加在石墨烯条带上的应变，通过修改原子坐标来模拟应变对条带结构的改变，具体做法如下：
[0036] 1)修改原子坐标
[0037] 在NanoTCAD ViDES软件中自动生成一条宽度为12原子，长度为27nm(源、漏各10nm，沟道7nm)的均匀石墨烯条带，并且得到其中每个碳原子的坐标。在电流传输方向施加应变之后，碳‑碳键长会发生相应的变化：
[0038] Rz→(1+ε)Rz
[0039] Ry→(1‑γε)Ry
[0040] 其中Rz表示电子传输方向上的碳‑碳键长，Ry表示宽度方向上的碳‑碳键长，ε表示应变的力度，γ≈0.165，是泊松比。根据公式中碳‑碳键长的变化，将应变后的条带原子坐标也相应的进行修改。
[0041] 2)修改原子间的跃迁能
[0042] 得到应变后的原子坐标，根据跃迁能和原子位置的关系式：
[0043]
[0044] 其中t0＝‑2.7eV，表示原始的跃迁能，β＝3.37，acc＝0.144nm，表示原始的碳‑碳键长，d表示施加应变之后原子间的距离，可用两点间的直线距离计算公式得到。
[0045] 2.计算结果与讨论
[0046] 图3中，Vgs代表顶栅及底栅的栅压，Ids代表沟道电流。由图3(a)可以看出，在石墨烯条带未施加应变的情况下，当沟道长度逐渐减小时，器件的关态电流逐渐增大，由图3(b)和图3(c)可以看出，当沟道长度逐渐减小时，器件的开关特性和亚阈值摆幅都逐渐衰减。当沟道缩短到7nm时，器件的开关特性和亚阈值摆幅要明显差于其他长度，开态电流和关态电流几乎无变化，亚阈值摆幅也没有突破60mV/decade的限制。
[0047] 在7nm沟道长度的基础上，在石墨烯条带上施加应变，并调整应变的力度，结果如图4所示，当ε为负数时，该应变使碳‑碳键长变短，表现为压缩的效果；当ε为正数时，该应变使碳‑碳键长变长，表现为拉伸的效果。
[0048] 由图4(a)可以看出，当ε为正值时，器件的关态电流随应变强度的增强先减小再增大，在ε＝4.5％处，关态电流最小。同时由图4(b)和图4(c)可得，在ε＝4.5％条件下，器件的开关特性和亚阈值摆幅都达到最优值。这是由于在拉伸的过程中，石墨烯条带的宽度减小了0.7％，应变效应触使宽度减小，带隙增大了10％，关态电流降低，提高了开关电流比。
[0049] 本发明设计的应变石墨烯条带隧穿场效应晶体管，使器件在沟道长度为7nm时，其5 3
开关电流比也能达到10 ，相较于常规石墨烯条带隧穿场效应晶体管提升了10 。其亚阈值摆幅也突破了60mV/decade的限制，相较于常规石墨烯条带隧穿场效应晶体管较低了约62％。
以上结果说明利用本发明设置的应变石墨烯条带TFET可以大大缩短沟道长度，让器件在短沟道的情况下也能保持正常功能。图5本发明关态时的态密度分布图，其中Vgs＝0.05V，Vds＝0.1V。图6本发明开态时的态密度分布图，其中Vgs＝0.8V，Vds＝0.1V。
开关电流比也能达到10 ，相较于常规石墨烯条带隧穿场效应晶体管提升了10 。其亚阈值摆幅也突破了60mV/decade的限制，相较于常规石墨烯条带隧穿场效应晶体管较低了约62％。
以上结果说明利用本发明设置的应变石墨烯条带TFET可以大大缩短沟道长度，让器件在短沟道的情况下也能保持正常功能。图5本发明关态时的态密度分布图，其中Vgs＝0.05V，Vds＝0.1V。图6本发明开态时的态密度分布图，其中Vgs＝0.8V，Vds＝0.1V。
[0050] 上述实例仅仅只是例证本发明方法，并非是对于本发明的限制，本发明也并非仅限于上述实例，只要符合本发明方法的要求，均属于本发明方法的保护范围。