一種峰值摻雜結合對稱線性摻雜結構的碳納米場效應管的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種峰值摻雜結合對稱線性摻雜結構的碳納米場效應管，構建了適用于峰值摻雜結合對稱線性摻雜結構的碳納米場效應管的輸運模型，利用該模型分析計算了HALO-Linear摻雜策略對碳納米場效應管電學特性的影響。通過與采用其他摻雜策略CNTFET的電學特性對比分析，發現這種摻雜結構的碳納米場效應管具有更大的開關電流比、更低的泄漏電流、更小的亞閾值擺幅，更高的截止頻率和更小的延遲時間，即表明采用HALO-Linear摻雜策略的CNTFET具有更好的柵控能力，更好的開關特性，能夠有效的抑制短溝道效應和熱載流子效應。
【專利說明】一種峰值摻雜結合對稱線性摻雜結構的碳納米場效應管
【技術領域】
[0001] 本發明屬于碳納米場效應管領域，涉及峰值-對稱線性摻雜（HALO-Linear)結構 的碳納米場效應管。
【背景技術】
[0002] 隨著器件尺寸的不斷縮小，對器件的性能要求越來越高，人們的眼光從而轉移到 了新型材料之上，其中最受關注一個就是碳納米管。碳納米管是由石墨烯片層圍成的一種 管狀結構。碳納米管名稱的由來是因為它的直徑非常小都在納米尺度，大約在幾納米到幾 十個納米之間，同時它的長度也很小在微米量級。顧名思義，碳納米管的結構與石墨和金剛 石的一樣都是碳的同素異構體即由碳六邊形組成的結構。但是不同的是它是管狀材料，可 以看成是由片狀石墨烯卷曲而成。碳納米管可分為單壁和多壁碳納米管，（a)為單壁碳納米 管，（b)為多壁碳納米管。碳納米管手性指數（n，m)能夠決定碳納米管屬于哪種類型，當手 性指數中η與m相等時，碳納米管的類型為扶手型（Armchair);當η大于m并且m = 0時， 碳納米管的類型為鋸齒型（Zigzag);當η大于m且m尹0時，碳納米管則稱為手型（Chiral) 碳納米管。
[0003] 制備碳納米管的方法主要有三種，分別為石墨電弧法、激光蒸發法和催化裂解法。 第一種石墨電弧法是將惰性氣體或氫氣加入真空反應室中，使其具有一定的壓力，同時陽 極材料采用很細的石墨棒，陰極材料采用比較粗的石墨棒。在制備的過程中，電弧會放電從 而不斷消耗陽極石墨棒，與此同時含有納米碳管的物質會在陰極上沉積出來；激光蒸發法 是由Smalley等首次提出的，該方法的原理是，在由過渡金屬和石墨組成的復合材料棒上 利用激光使得該棒蒸發從而制備出多壁納米碳管。但是由于制作成本高，并沒有得到推廣 應用；催化裂解法是在高溫下使含碳化合物如一氧化碳、甲烷等分裂為一個個獨立的碳原 子，然后在催化劑作用下，這些獨立的碳原子附著在催化劑微粒表面上從而就形成為了碳 納米管。
[0004] 在室溫下，第一個碳納米管場效應管[Tans S J, Verschueren A R M, Dekker C.Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube[J]. Nature, 1998, 393 (7) : 49-52. ] (CNTFET)是在1998年由荷蘭代爾夫特理工大學Tran S J小組成功地制作而成，之后碳納米管場效應管得到了飛速發展，更是出現了很多種 CNTFET模型，但是目前占主導地位的有肖特基勢壘CNTFET [Hazeghi A, Krishnamohan T,Wong, H. Schottky-barrier carbon nanotube field-effect transistor modeling[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2007, 54(3):439-445.], [Guo J, Lundstrom M, Datta S. Performance projections for ballistic carbon nanotube field-effect transistors [J]· Applied Physics Letters，2002,80(17) :3192 - 3194.]和類 M0S 型 CNTFET[Fiori G,Iannaccone G,K1imeck G.A three-dimensional simulation study of the performance of carbon nanotube field-effect transistors with doped reservoirs and realistic geometry[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2006,53 (8):1782 - 1788.], [Orouji A A,Arefinia Z. Detailed simulation study of a dual material gate carbon nanotube field-effect transistor[J]. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2009, 41 (10) :552-557.]。第一種結 構之所以叫肖特基勢壘CNTFET是因為碳納米管和兩邊電極存在功函數差，所以碳納米管 兩端與金屬接觸之處能夠形成肖特基勢壘。另一方面柵電壓變化勢壘也跟著變化，所以控 制隧穿電流的大小就非常容易了。但是肖特基碳CNTFET的雙極效應使得器件的性能大 大降低了，這也是該結構的不足之處。第二種結構中，源極和漏極都進行了重摻雜，它們 還與電極相連接，所以電極與碳納米管之間形成歐姆接觸，這時摻雜的碳納米管和溝道碳 納米管形成功函數差，這樣能帶彎曲后，勢壘就在在溝道中形成了。與前面提到的一樣， 柵電壓能夠控制勢壘高度，從而控制電流大小。這種器件因為具有單極特性和漏電流小 的特點，所以受到廣泛的關注[Fiori G，Iannaccone G，Klimeck G. A three-dimensional simulation study of the performance of carbon nanotube field-effect transistors with doped reservoirs and realistic geometry[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2006, 53(8):1782 - 1788. ], [Orouji A A,Arefinia Z. Detailed simulation study of a dual material gate carbon nanotube field-effect transistor[J]. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2009, 41 (10):552-557.]〇
【發明內容】
[0005] 技術問題：本發明提供一種能在縮小器件尺寸的同時克服短溝道效應，減少了器 件性能下降，增強了器件抑制熱載流子效應的能力的峰值摻雜結合對稱線性摻雜結構的碳 納米場效應管。
[0006] 技術方案：本發明的峰值摻雜結合對稱線性摻雜結構的碳納米場效應管，該場效 應管包括源極V s、漏極VD、溝道、柵氧化層和雙柵極Ve結構，所述溝道由碳納米管層構成，在 所述碳納米管層上從臨近源極一端向臨近漏極一端依次為N型重摻雜區、線性摻雜結構、 峰值摻雜結構、本征碳納米管、線性摻雜結構、N型重摻雜區；柵氧化層位于碳納米管層的 兩側，在兩柵氧化層的外側設有柵極形成雙柵極結構。
[0007] 本發明的碳納米場效應管的優選方案中，雙柵極結構為關于溝道對稱的兩個柵 極，所述的兩個柵極為同種電介質材料填充形成。
[0008] 本發明的碳納米場效應管的優選方案中，碳納米管上的臨近源極一端的N型重摻 雜區和線性摻雜結構構成源擴展區，長度為L s，臨近漏極一端的N型重摻雜區和線性摻雜結 構，構成漏擴展區，長度為Ld，其中Ls = Ld。
[0009] 本發明第一次提出在碳納米管溝道靠近源區附近加入一種峰值HALO摻雜結構， 該結構較為新穎。而且該結構具有更高的開關電流比，更小的亞閾值擺幅，更低的延遲時 間，更高的截止頻率，表明該結構有更好的柵控能力，更好抑制DIBL(漏端引入的勢壘降 低）效應，更好抑制熱電子效應。
[0010] 有益效果：本發明與現有技術相比，具有以下優點：
[0011] 通過對比常規C-CNTFET，對稱線性摻雜結構L-CNTFET，單HALO摻雜結構 Η-CNTFET和HALO結合對稱線性摻雜結構HL-CNTFET，四種不同摻雜策略碳納米場效應管 (CNTFETs)的I-V電流特性，在同源漏偏壓下，四種摻雜結構的開態電流幾乎相同，但 HL-CNTFET的關態電流最低，故其擁有更大的開關電流比。
[0012] 對常規C-CNTFET,對稱線性摻雜結構L-CNTFET,單HALO摻雜結構H-CNTFET和 HALO結合對稱線性摻雜結構HL-CNTFET，四種不同摻雜策略碳納米場效應管（CNTFETs)的 亞閾值特性作了分析，對比結果表明HL-CNTFET擁有最理想的亞閾值擺幅，反映出該摻雜 結構的柵控能力明顯優于其他結構。
[0013] 同時本文對比了常規C-CNTFET，對稱線性摻雜結構L-CNTFET，單HALO摻雜結 構H-CNTFET和HALO結合對稱線性摻雜結構HL-CNTFET，四種不同摻雜策略碳納米效應管 (CNTFETs)的延遲時間特性，四種結構中采用對稱線性摻雜策略的兩種器件的延遲時間 較小，而采用HALO摻雜策略的兩種器件的延遲時間較大，故HL-CNTFET的延遲時間的降低 是因為對稱線性摻雜結構的采用。同時，本文還研究了四種不同摻雜策略碳納米場效應管 (CNTFETs)的截止頻率，發現HL-CNTFET還有很高的截止頻率。
[0014] 結果表明，采用峰值-對稱線性摻雜策略的CNTFET相比其他摻雜結構具有更大的 閾值電壓、更低的關態電流、更好的開關特性、更好的高頻特性，表明該器件能更好的抑制 DIBL效應，更低的亞閾區柵壓擺幅，說明該器件擁有更優的柵控能力，能更好的抑制短溝道 效應，線性摻雜結構的引入，使得器件抑制熱載流子效應的能力也增強。在較低的工作電壓 下，能夠獲得較大的驅動電流，并有望在數字電路中獲得應用。
[0015] 本發明受硅基橫向溝道工程的啟發，將用于改善傳統M0SFET性能的摻雜結構引入 CNTFET中，包括梯度摻雜結構[周海亮，池雅慶，張民選.基于梯度摻雜策略的碳納米管場 效應管性能優化[J] ·物理學報，2010, 59 (11) : 8105-8111.]、線性摻雜結構[!1.5&1·^!^，!?· Ghayour, Design of GNRFET using different dopingprofilesnear the source and drain contacts. International Journal of Electronics2012 ;99 (5):673-682.]和 峰值慘雜結構[F.Djeffal，M.Meguellati，A.Benhaya，A two-dimensional analytical analysis ofsubthreshold behavior to study the scaling capability of nanoscale graded channel gate stack DG MOSFETs. PhysicaE:Low-dimensional Systemsand Nanostructures2009 ；41 (10):1872 - 1877], [G. V. Reddy, M. J. Kumar, A new dual-material double-gate (DMDG)nanoscale SOI MOSFET-two-dimensional analytical modeling and simulation. Nanotechnology, IEEE Transactions2005 ;4(2) :260-268.]〇 由于線性摻雜結構可以有效地抑制器件的熱載流子效應，HALO摻雜結構可以有效抑制短 溝道效應（如漏致勢壘降低效應），但若將HALO摻雜用于器件的漏端反而會使漏端電場增 強，這將不利于抑制熱載流子效應。基于上述考慮，本發明提出了在CNTFET源極附近進行 單HALO摻雜，源極和漏極附近進行線性摻雜，以形成HALO-Linear摻雜結構的碳納米場效 應晶體管。為揭示納米尺度該類器件的量子輸運特性，本發明在非平衡格林函數（NEGF)框 架下，通過自洽求解三維泊松和薛定諤方程，對不同摻雜結構的CNTFETs電學特性進行了 數值模擬，并給出了相應的性能比較。本發明對揭示CNTFET的輸運物理機制、改善CNTFET 器件結構性能提供理論依據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1本發明的垂直截面示意圖。
[0017] 圖2基于非平衡格林函數（NEGF)的自洽迭代求解過程。
[0018] 圖中有：柵極1、柵氧化層2、N型重摻雜區3、峰值摻雜結構4、線性摻雜結構5、本 征碳納米管6 ;X，Z分別為三維坐標軸的X方向和Z方向，Vs :源極電壓，Ve :柵極電壓，VD :漏 極電壓，Ls :源擴展區長度，LD :漏擴展區長度，N+ :N型重摻雜。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合具體實施例和說明書附圖對本發明作更進一步的說明。
[0020] 本發明的峰值摻雜結合對稱線性摻雜結構的碳納米場效應管包括源極Vs、漏極 VD、溝道、柵氧化層2和雙柵極結構，所述溝道由碳納米管層構成，在所述碳納米管層上從 臨近源極一端向臨近漏極一端依次為N型重摻雜區3、線性摻雜結構5、峰值摻雜結構4、本 征碳納米管6、線性摻雜結構5、N型重摻雜區3 ;柵氧化層2位于碳納米管層的兩側，在兩柵 氧化層2的外側設有柵極1形成雙柵極結構。
[0021] 所述的雙柵極結構為關于溝道對稱的兩個柵極1，所述的兩個柵極1為同種電介 質材料填充形成。
[0022] 所述碳納米管上的臨近源極一端的N型重摻雜區3和線性摻雜結構5構成源擴展 區，長度為L s，臨近漏極一端的N型重摻雜區3和線性摻雜結構5構成漏擴展區，長度為Ld， 其中L s = Ld。
[0023] 本發明的類金屬-氧化層半導體場效應管結構的碳納米場效應管如圖1所示，整 個結構包括源極、漏極、溝道、柵氧化層2和雙柵極結構，所述溝道由碳納米管構成，所述碳 納米管上從臨近源極一端向臨近漏極一端依次為N型重摻雜區3、線性摻雜結構5、峰值摻 雜結構4、本征碳納米管6、線性摻雜結構5、N型重摻雜區3。氧柵化層2厚度為2nm，柵氧 化層2的介電常數為16。源擴展區長度L s和漏擴展區的長度LD相等，取值為30nm，柵極長 度為15. 3nm。峰值摻雜結構4的長度為5nm，線性摻雜結構5的長度為15nm，N型重摻雜區 3的摻雜濃度為1. ΟηπΓ1，峰值摻雜結構4的摻雜濃度為1. βηπΓ1。
[0024] 本發明的一種優選實施例中，雙柵極結構為關于溝道對稱的兩個柵極1，所述的兩 個柵極1為同種電介質材料填充形成。即頂柵和底柵，其采用功函數為4. 4的錫金屬作為 柵極材料，器件溝道與兩柵電極間用柵電介質填充。
[0025] 本發明的另一種優選實施例中，碳納米管上的臨近源極一端的Ν型重摻雜區3和 線性摻雜結構構5成源擴展區，長度為L s，臨近漏極一端的Ν型重摻雜區3和線性摻雜結構 5,構成漏擴展區，長度為LD，其中L s = LD。器件的仿真是通過在模空間下構建緊束縛哈密 頓量，基于非平衡格林函數方法，自洽迭代求解泊松和薛定諤方程組（過程如圖2所示），最 后利用Landauer-Buttiker公式進一步求取系統的其他電學參量。
[0026] 針對類金屬-氧化層-半導體場效應管（MOSFET-Like)的碳納米管器件隨著器件 尺寸不斷縮小會產生一些二級效應如漏致勢壘降低（DIBL)效應和熱載流子效應（HCE)等 問題，從橫向溝道工程的角度出發，提出一種用于改善常規碳納米場效應管電學性能的新 型摻雜策略。其次基于量子力學非平衡格林函數（NEGF)理論框架，在開放邊界條件下，通 過自洽求解二維泊松和薛定諤方程，構建了適用于非均勻摻雜的碳納米場效應管的輸運模 型，并利用該模型分析采用HALO-Linear摻雜策略對碳納米場效應管（CNTFET)電學特性的 影響。總體上看，該摻雜策略模型具有以下特征：
[0027] A.它是一種雙柵結構，其中用碳納米管作為導電溝道，溝道與兩個柵電極間用同 種電介質材料填充，且兩個柵電極以溝道為中心形成對稱結構。
[0028] B.器件的源/漏擴展區均為N型重摻雜區3,另外在碳納米管溝道靠近源區附近 采用峰值（HALO)摻雜結構4,而在器件源區和漏區靠近溝道處分別采用線性摻雜結構5,最 終形成峰值-對稱線性摻雜結構。
[0029] C.模型的計算是利用非平衡格林函數（NEGF)方法，在開放邊界條件下，自洽求解 二維泊松和薛定諤方程。具體過程為：給定初始溝道電勢，帶入非平衡格林函數（NEGF)方 程計算出其電荷密度，再將求得的電荷密度代入泊松方程求解出CNT溝道中的靜電勢，然 后再將此電勢重新代入非平衡格林函數（NEGF)方程中進行計算，如此反復迭代直到得到 自洽解為止。
[0030] 模型的計算是利用非平衡格林函數（NEGF)方法，在開放邊界條件下，自洽求解二 維泊松和薛定諤方程。具體過程是給定一個初始溝道電勢，利用非平衡格林函數（NEGF)方 程計算出其電荷密度，再將電荷密度代入泊松方程求解出CNT溝道中的靜電勢，然后又將 求得的電勢重新代入非平衡格林函數（NEGF)方程中進行計算，如此反復迭代直到得到自 洽解為止，整個計算迭代過程如圖2所示。本發明所計算的碳納米場效應管的整個系統包 括兩個自能矩陣1 8和ΣΒ，分別用于描述導電溝道與源/漏端的耦合關系，在選定了合適 的基組和用于描述溝道的哈密頓量以及自能項后，對于給定的自洽電勢，系統的遲滯格林 函數有如下形式[S. Datta，Nanoscale device modeling: the Green's function method. SuperlattMicrostruct2000 ；28(4):253]：
[0031 ] G (E) = [ (E+i η+) I_H_ Σ D_ Σ s] 1 (1)
[0032] 式中E為能量，iT是一個正無窮小量，I是單位矩陣，Σ,和ΣΒ分別為器件源和 漏電極貢獻的自能項，可根據表面格林函數通過迭代求出。假設源漏區的電勢與CNT的 平衡費米能級持平，且沒有完全的限制態，當求得表面格林函數后，那么器件中任一位置 的電子和空穴密度可由下式求得[VENUG0PALR，PAULSS0N M，G0ASGUEN S，et al.A simple quantum mechanical treatment of scattering nanoscale transistors[J].J Appl Phys, 2003, 93 (9) : 5613-5625.]：
[0033] ?(/) - f'' dE[0rsG' f{E - E,..s) + GVnG1 f(E - Em)]
[0034] Pi'') = dE\GVsG1 [1 - f(E -EIS)] + GVnG Em)]} ⑷
[0035] 其中氏為碳納米管部分的費米能級，f是費米-狄拉克分布函數，EFS(D)是源（漏） 區的費米能級。
[0036] 將求出的電子和空穴密度代入二維泊松方程以求解靜電勢，其中二維泊松方程可 由下式表示
[0037] y：U{i\z) = --p{i\z) (5)
[0038] 上式中U為靜電勢，ε是介電常數，P是摻雜濃度。最后，為了計算器件溝道電 流，可以利用Landauer-Buttiker公式
[0039] 1 = ^-\yET{E)U\B- ￡·, s)- f(E-EFD)] (6)
[0040] 其中q是電子電荷，h是普朗克常量，T(E)是電子通過溝道的透射系數[DATTAS. Nanoscale device modeling:The Green' s function method[J]. Superlattices Micros truct,2000,28 (4):253 - 278.]：
[0041] T [E] = Trace [ Γ G Γ G+] (7)
[0042] 在上述量子模型框架下，對采用不同摻雜策略的碳納米場效應管的電流特性和開 關特性進行了模擬分析。
[0043] lCNTFETs的電流特性
[0044] 通過對比采用不同摻雜策略碳納米場效應管（CNTFETs)的I-V電流特性，發現在 相同柵壓下，采用峰值-對稱線性摻雜結構的碳納米場效應管（HL-CNTFET)輸出電流最小， 而常規CNTFET(C-CNTFET)的輸出電流最大，且其電導要大于前者。然而，在同源漏偏壓下， HL-CNTFET與C-CNTFET的開態電流幾乎相等，C-CNTFET的關態電流較大，但HL-CNTFET的 關態電流非常低，故其擁有更大的開關電流比。
[0045] 2CNTFETS的亞閾值特性
[0046] 為了研究不同摻雜策略對碳納米場效應管性能的影響，探究本發明提出的新型摻 雜結構相對于其他結構對器件性能的改善程度，對采用不同摻雜結構的CNTFETs的亞閾值 特性作了分析，對比結果表明HL-CNTFET擁有最理想的亞閾值擺幅，反映出該摻雜結構的 柵控能力明顯優于其他結構。
[0047] 3CNTFETS的高頻特性
[0048] 為了探究采用HALO-Linear摻雜結構的碳納米場效應管在高頻特性方面的表現， 對比了常規C-CNTFET、對稱線性摻雜結構L-CNTFET、單HALO摻雜結構H-CNTFET和HALO結 合對稱線性摻雜結構HL-CNTFET在不同溝道長度時，它們的開關電流比、延遲時間、截止頻 率隨溝道長度的變化關系。結果表明，隨著溝道長度的增加，沒有進行HALO摻雜結構的器 件的開關電流比幾乎不變，而采用HALO摻雜策略的器件的開關電流比在不斷增大，其大小 遠大于前面兩種摻雜策略的器件，這說明HL-CNTFET有很大的開關電流比是由HALO摻雜結 構決定的。另一方面，四種結構中采用對稱線性摻雜策略的兩種器件的延遲時間較小，而采 用HALO摻雜策略的兩種器件的延遲時間較大，故HL-CNTFET的延遲時間的降低是因為對稱 線性摻雜結構的采用。同時，HL-CNTFET還有很高的截止頻率。
[〇〇49] 應理解上述實施例僅用于說明本發明技術方案的【具體實施方式】，而不用于限制本 發明的范圍。在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等同形式的修改和替 換均落于本申請權利要求所限定的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種峰值摻雜結合對稱線性摻雜結構的碳納米場效應管，其特征在于，該場效應管 包括源極^、漏極V D、溝道、柵氧化層（2)和雙柵極Ve結構，所述溝道由碳納米管層構成，在 所述碳納米管層上從臨近源極一端向臨近漏極一端依次為N型重摻雜區（3)、線性摻雜結 構（5)、峰值摻雜結構（4)、本征碳納米管（6)、線性摻雜結構（5)、N型重摻雜區（3);柵氧化 層（2)位于碳納米管層的兩側，在兩柵氧化層（2)的外側設有柵極（1)形成雙柵極結構。
2. 根據權利要求1所述的一種峰值摻雜結合對稱線性摻雜結構的碳納米場效應管，其 特征在于，所述的雙柵極結構為關于溝道對稱的兩個柵極（1)，所述的兩個柵極（1)為同種 電介質材料填充形成。
3. 根據權利要求1或2所述的一種峰值摻雜結合對稱線性摻雜結構的碳納米場效應 管，其特征在于，所述碳納米管上的臨近源極一端的N型重摻雜區（3)和線性摻雜結構（5) 構成源擴展區，長度為1^，臨近漏極一端的N型重摻雜區（3)和線性摻雜結構（5)構成漏擴 展區，長度為L d，其中Ls = Ld。
【文檔編號】B82Y10/00GK104103692SQ201410334950
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月14日 優先權日:2014年7月14日
【發明者】王偉, 高健, 張露, 岳工舒, 張婷, 李娜, 楊曉 申請人:南京郵電大學