雙線性摻雜漏異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應管的制作方法

雙線性摻雜漏異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應管的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙線性摻雜漏異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應管(DL-HTFETs)。該場效應管在源區/漏區進行P/N型重摻雜，源，漏兩端靠近溝道區域進行線性摻雜，靠近源極的氧化層采用低K氧化物(SiO2)，靠近漏極的氧化層采用高K氧化物(HfO2)，我們采用了一種量子力學模型構建了新型雙線性摻雜異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應管的輸運模型，利用該模型比較分析了高K隧穿場效應管(HK-TFETs)、普通柵氧化物隧穿場效應管(LK-TFETs)、異質柵氧化物隧穿場效應管(HTFETs)、普通場效應管和DL-HTFETs的電學特性。研究結果表明，DL-HTFETs具有更低的泄漏電流，更高的電流開關比，更低的功耗，更短的延遲時間等優點。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬于石墨烯隧穿場效應管領域，涉及一種適用于石墨烯器件的結構器件。 雙線性摻雜漏異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應管

【背景技術】
[0002] 近年來，石墨烯（Graphene)的出現在科學界激起了巨大的波瀾，由于自身的優 越性質而被認為是未來最有發展潛力的碳納米材料之一。石墨烯具有很高的電子遷移率 和高導電性，利用石墨烯制作的晶體管不僅體積小、功耗低、對工作環境的要求低，并且易 于設計成各種結構。然而，由于石墨烯是零帶隙材料，其費米能是呈輕分布的，因此它并 不適合直接應用到晶體管中。不過可以將石墨烯按照一定方向切割成條帶的方法來產生 帶隙[HAN Μ Y, OZYILMAZ B, KIM P, et al. Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons [J] · Phys Rev Lett, 2007, 98 (20) : 206-805.]，并可以通過條帶的寬度來控制 帶隙的大小（帶隙的大小與條帶寬度成反比）。
[0003] 從溝道工程的角度上看，將GNR(石墨烯納米條帶）作為溝道材料制成的場效應管 具有較硅基M0S管更優越的器件性能和尺寸縮小前景，因而石墨烯條帶場效應管（GNRFET) 被認為是構建未來納電子系統中最具潛力的基本元件。盡管如此，由于A-GNRs (Armchair GNR)的帶隙依條帶寬度的不同而不同，因此以不同尺寸GNR作為溝道的GNRFETs，其應用 領域也有很大差異。研究表明，條帶寬度為10?15nm的GNRFET開關電流比僅為10左 右，完全達不到數字電路的要求，但其具有很高的截止頻率（截止頻率可達THZ)，因此 十分適用于高頻/RF模塊的低增益基本元件中，如低噪聲放大器[LIN Y M，ALBERT0 V G, HAN S J, et al. Wafer-Scale graphene integrated circuit [J] · Science, 2011, 332 (6035) : 1294-1297.]，目前，IBM已研制出運行速度最快的石墨烯晶體管，其截止頻率可 達100GHZ，并且已研制出首款由石墨烯原片制成的集成電路[YOON Y，FI0RI G，H0NG S，et al.Performance comparison of graphene nanoribbon FETs with Schottky contacts and doped reservoirs [J]· IEEE Trans Electron Devices, 2008, 55 (9) :2314 - 2323·]。 另一方面，為了獲得足夠的開關電流比以適合數字應用，需要減小GNR寬度以增加帶隙，已 有實驗數據表明，窄帶GNRFETs(條帶寬度約為2±0. 5nm)在VDS = 0. 5V時，開態電流密度 約為 2000 μ Α/ μ m，電流開關比達 106 [WANG X.，0UYANG Y, LI X，et al· Room-temperature all-semiconducting sub_l0-nm graphene nanoribbon field-effect transistors[J]. Phys. Rev. Lett, 2008, 100(20) :206803-206807. ] 〇
[0004] 根據石墨烯與器件源漏端電極的接觸類型的不同，石墨烯晶體管可以分為 類M0S石墨烯納米條帶場效應管（C-GNRFETs)和肖特基勢壘石墨烯納米條帶場效應管 (SB-GNRFETs)，其中C-GNRFETs -般是通過在器件源漏區進行重摻雜，使得GNR與源漏電極 間形成歐姆接觸從而實現類似M0SFET的結構，而SB-GNRFETs是通過直接將本征石墨烯納 米條帶與金屬電極接觸形成肖特基勢壘，與C-GNRFETs不同的是，在SB-GNRFETs中，電流 的形成是載流子隧穿通過源漏端的肖特基勢壘而產生的，而柵壓的改變能夠引起該勢壘的 變化，進而引起相應隧穿電流的大小，由于導體中同時存在電子和空穴的作用，SB-GNRFETs 會表現出明顯的雙極性特性，從而大大降低器件性能。在對兩類器件電流特性的對比分 析中表明，源漏區摻雜的C-GNRFET擁有比SB-GNRFET更好的器件性能、更高的開關電流 比和截止頻率[YOON Y，FIORI G, HONG S，et al. Performance comparison of graphene nanoribbon FETs with Schottky contacts and doped reservoirs[J]. IEEE Trans Electron Devices, 2008, 55(9):2314 - 2323.]。
[0005] 隨著金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, M0SFET)柵長縮小到45nm以下，受載流子波爾茲曼熱分布限制的亞閾 值擺幅（Subthreshold Swing, SS)嚴重影響了了 M0SFET器件在相應的柵電壓下的開關速 率，導致M0SFET的漏電流隨著電源電壓的降低呈指數增長，從而靜態功耗呈指數增長。隧 穿場效應晶體管（Tunneling Field Effect Transistor, TFET)是作為M0SFET的潛在替代 者而提出來的，它的工作原理與傳統M0SFET有著根本的不同，M0SFET的工作原理是載流子 的擴散漂移機制，而TFET器件的工作原理是帶帶隧穿機制。從工作原理上來看，由于TFET 的開啟電流與溫度沒有指數依賴關系，因此亞閾電流不受載流子熱分布的限制，可以實現 比較小的SS，，從而降低器件的工作電壓，減小器件的關斷電流，降低器件的靜態功耗。


【發明內容】

[0006] 技術問題：本發明的目的是提供一種適用于石墨烯器件、具有較小的漏電流和更 短的延遲時間，提高柵控能力的雙線性摻雜漏異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應管。
[0007] 技術方案：本發明基于量子力學非平衡格林函數的方法，研究了以12-AGNG為溝 道材料的隧穿型場效應晶體管，我們研究了高K氧化物與線性摻雜結構對于隧穿器件輸運 特性的影響，提出了雙線性摻雜異質柵氧化層隧穿型場效應晶體管（DL-HTFETs)。我們研究 了 DL-HTFETs的I-V特性，亞閾值特性和尺寸縮小特性等，并將其與常規TFETs、高K介電常 數TFETs進行了對比。從仿真結果我們可知，相比于傳統的TFETs，由于DL-HTFETs結構關 態帶帶隧穿寬度較寬，使得其泄露電流比較小，而其開態的隧穿寬度與傳統的TFETs基本 一致，并且源端和漏端線性摻雜結構對于開態電流基本沒有影響，使得DL-HTFETs具有較 高的開關電流比，另外由于線性摻雜區的存在使得TFETs溝道與漏區的交接處電勢變化變 得平和，電場變低，使得DL-HTFETs能夠有效的異質熱載流子效應，其異質氧化層結構使得 柵控能力增強，溝道平均電場變大，載流子遷移率變高，亞閾特性得到明顯改善。正是由于 DL-HTFETs這種結構良好柵極控制能力，以及亞閾特性，使得其具有很好的尺寸縮小特性。 DL-HTFETs較低的工作電壓，與較大的驅動電流，較高的開關電流比，使得其能夠在低功耗、 高開關電流比的應用領域得到廣泛的應用。
[0008] 本發明的雙線性摻雜漏異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應管，包括源極、漏極、 溝道、靠近源極氧化層、靠近漏極氧化層和雙柵極結構，所述溝道由石墨烯納米條帶構成， 所述石墨烯隧穿場效應管上從臨近源極一端向臨近漏極一端依次為P型重摻雜區、線性摻 雜區、本征石墨烯納米條帶、線性摻雜區、N型重摻雜區；、靠近源極氧化層位于雙柵極與所 述P型重摻雜區、線性摻雜區、本征石墨烯納米條帶之間，靠近漏極氧化層位于和雙柵極與 本征石墨烯納米條帶、線性摻雜區、N型重摻雜區之間。
[0009] 所述的雙柵級結構為關于溝道對稱的兩個柵極，這種結構靠近源極的氧化層采用 低K氧化物Si0 2，靠近漏極的氧化層采用高K氧化物Hf02。
[0010] 所述石墨烯納米條帶臨近源極一端的P型重摻雜區和線性摻雜區構成源拓展區， 長度為L s，臨近漏極一端的N型重摻雜區和線性摻雜區構成漏拓展區，長度為LD，其中Ls = LD ;源端的線性摻雜區長度為Lul，漏端的線性摻雜區的長度為U，其中Lul = Lu2 = 1/2LS ; 靠近源極氧化層的長度為L，靠近漏極氧化層的長度為L&，其中L = L#
[0011] 本發明的類M0SFET結構的GNRFET如圖2所示，它是一種雙柵結構，其中用 Armchair型的石墨烯條帶作為導電溝道，其中溝道兩邊的柵氧化層左半邊為低K氧化層右 半邊為高K氧化層，器件的源/漏擴展區通過氣相或液相化學離子注入方式進行P/N型重 摻雜，另在石墨烯納米條帶溝道靠近源區和漏區附近進行輕摻雜，從而形成雙線性摻雜漏 異質材料柵氧化層結構。器件的仿真是通過在實空間下構建緊束縛哈密頓量，將GNRFET看 成一個如圖1所示的石墨烯條帶系統，然后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3所示），最后利用Landauer-Buttiker公式進一步求取系統的 其他電學參量。
[0012] 有益效果：本發明與現有技術相比，具有以下優點：
[0013] 本發明從溝道工程的角度，提出了一種適用于改善以AGNR為溝道材料石墨烯器 件性能的優化策略，并基于非平衡格林函數的方法，對比分析了不同摻雜結構與不同柵氧 化層的石墨烯納米條帶隧穿場效應管（GNRFET)的電學特性，如I-V電流特性，弛豫時間 等，結果表明，采用雙線性摻雜漏異質氧化層結構的隧穿GNRFET相比其他摻雜結構在較高 的開態電流的同時具有更低的關態電流、更高的開關電流比，更低的亞閾區柵壓擺幅，更低 的轉換能，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。并且在較低的工作電壓下，該結構能夠獲得 較大的驅動電流，并有望在數字電路中獲得應用。
[0014] 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GNRFET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.]、輕漏摻雜結構 [OGURA S, TSANG P J, WALKER ff ff, et al. Design and characteristics of the lightly doped(LDD)drain-source insulated gate field-effect transistor[J]. IEEE Trans Electron Devices，1980，15(4):1359_1367·]和高K 結構[Wei Wang, Ning Gu，Sun，J. P. , et al. Modeling of High-k Gate Stack of Tunnel Barrier in Nonvolatile Memory M0S Structures. Nanotechnology, 2008. NAN02008. 8th IEEE Conference on Date of Conference :18_21Aug. 2008]以及隧穿結構[Xuebei Yang, Jyotsna Chauhan，Jing Guo et al. Graphene Tunneling FET and its Applications in Low-power Circuit Design. VLS I (2010)，pp. 263-268, doi: 10. 1145/1785481. 1785544Key:citeulike:9001755]。由于線性 摻雜結構可以有效地抑制器件的熱載流子效應，高K氧化層隧穿結構可以有效的抑制漏電 流。考慮到上述結構對場效應管電流特性的影響，本文采用了在源端進行Ρ型重摻雜，漏端 進行Ν型重摻雜，源端靠近溝道區域和漏端靠近溝道的區域進行線性摻雜，氧化層靠近源 端為低Κ氧化層，漏端為高Κ氧化層的結構。由于目前石墨烯器件的仿真還處于起步階段， 且目前很少有文獻涉及這類摻雜結構的石墨烯納米條帶場效應管電學特性的研究，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GNRFETs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GNRFET的輸運物理機制、改善GNRFET器件結構性能提 供理論依據。
[0015] 我們對傳統的TFETs進行優化，并做了一系列的仿真，并分析了高K材料與線性摻 雜（LD)對TFETs器件轉移特性和高頻特性的影響，在此基礎上我們提出了一種新型的結構 雙線性摻雜漏異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應管（DL-HTFETs)同時我們也將這種結 構與傳統的TFETs，高K (High-K) TFETs，異質柵氧化層TFETs (HTFETs)，進行了系統的對比， 得知這種結構具有較低的泄漏電流與亞閾值擺幅，較大的開關電流比，以及良好的尺寸縮 小特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為石墨烯條帶系統簡圖，
[0017] 圖2為本發明的垂直截面示意圖，
[0018] 圖3為基于非平衡格林函數（NEGF)的自洽迭代求解過程。
[0019] 圖中有：S :源極，G :柵極，D :漏極，本征石墨烯納米條帶1，P型重摻雜區2,線性摻 雜區3,線性摻雜區4, N型重摻雜5,采用低K氧化物Si02的氧化層6,采用高K氧化物Η--2 的氧化層7,柵極8, Ls :源拓展區長度，LD :漏拓展區長度，Le :柵極長度，LU1 :源端線性摻雜 區的長度，:漏端線性摻雜區的長度，:靠近源端氧化層的長度，L& :靠近源端氧化層的 長度，X，Z分別為三維坐標軸的X方向和Z方向。

【具體實施方式】
[0020] 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。
[0021] 本發明的雙線性摻雜漏異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應管包括源極S、漏極 D、溝道、靠近源極氧化層6、靠近漏極氧化層7和雙柵極8結構，所述溝道由石墨烯納米條帶 構成，所述石墨烯隧穿場效應管上從臨近源極S -端向臨近漏極D -端依次為P型重摻雜 區2、線性摻雜區3、本征石墨烯納米條帶1、線性摻雜區4、N型重摻雜區5 ;、靠近源極氧化 層6位于雙柵極8與所述P型重摻雜區2、線性摻雜區3、本征石墨烯納米條帶1之間，靠近 漏極氧化層7位于和雙柵極8與本征石墨烯納米條帶1、線性摻雜區4、N型重摻雜區5之 間。
[0022] 所述的雙柵級結構為關于溝道對稱的兩個柵極（8)，這種結構靠近源極的氧化層 (6)采用低K氧化物Si0 2，靠近漏極的氧化層（7)采用高K氧化物Hf02。
[0023] 所述石墨烯納米條帶臨近源極一端的P型重摻雜區（2)和線性摻雜區（3)構成源 拓展區，長度為1^，臨近漏極一端的N型重摻雜區（4)和線性摻雜區（5)構成漏拓展區，長 度為L D，其中Ls = LD ;源端的線性摻雜區（3)長度為LU1，漏端的線性摻雜區（5)的長度為 U，其中LU1 = Lu2 = 1/2LS ;靠近源極氧化層（6)的長度為L，靠近漏極氧化層（7)的長度 為 L〇2,其中 k 一 Lo2〇
[0024] 針對類金屬-氧化層-半導體場效應管（M0SFET)的石墨烯器件隨著器件尺寸不 斷縮小等因素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石墨烯納米條帶場效應管電學 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，通過自洽求解三維泊松和薛定諤方程，構建了適用于非均勻摻雜的石墨烯場效應管 的輸運模型，并利用該模型分析異質氧化層非對稱輕摻雜策略對石墨烯納米條帶場效應管 (GNRFET)電學特性的影響。總體上看，該摻雜策略模型具有以下特征：
[0025] A.它是一種雙柵結構，其中用AGNR(邊緣是Armchair型的石墨烯條帶）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。
[0026] B.器件的源擴展區采用P型重摻雜，漏擴展區均采用N型重摻雜，另在器件源端靠 近溝道區域和漏端靠近溝道區域處采用線性摻雜，最終形成雙線性摻雜漏隧穿結構。
[0027] C.器件靠近源端的為低K氧化層，靠近漏端的為高K氧化層。
[0028] D.模型的計算是利用NEGF方法，在開放邊界條件下，自洽求解三維泊松和薛定諤 方程。具體過程為：給定初始溝道電勢，帶入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GNR溝道中的靜電勢，然后再將此電勢重新代入NEGF方程中進行 計算，如此反復迭代直到得到自洽解為止。
[0029] 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，自洽求解三 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GNR溝道中的靜電勢，然后又將求得的電勢重新代 入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3所 示。本發明所計算的石墨烯納米條帶場效應管可以用圖1所示的電子系統來描述，即整個 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[DATTA S. Nanoscale device modeling:The Green's function method[J]. Superlattices Microstruct, 2000, 28(4):253 - 278.]：
[0030]

【權利要求】
1. 一種雙線性摻雜漏異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應管，其特征在于，該場效應 管包括源極（S)、漏極（D)、溝道、靠近源極氧化層（6)、靠近漏極氧化層（7)和雙柵極（8)結 構，所述溝道由石墨烯納米條帶構成，所述石墨烯隧穿場效應管上從臨近源極（S) -端向 臨近漏極（D) -端依次為P型重摻雜區（2)、線性摻雜區（3)、本征石墨烯納米條帶（1)、線 性摻雜區（4)、N型重摻雜區（5);、靠近源極氧化層（6)位于雙柵極（8)與所述P型重摻 雜區（2)、線性摻雜區（3)、本征石墨烯納米條帶⑴之間，靠近漏極氧化層（7)位于和雙柵 極（8)與本征石墨烯納米條帶（1)、線性摻雜區（4)、N型重摻雜區（5)之間。
2. 根據權利要求1所述的一種雙線性摻雜漏異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應管， 其特征在于，所述的雙柵級結構為關于溝道對稱的兩個柵極（8)，這種結構靠近源極的氧化 層（6)采用低K氧化物Si0 2，靠近漏極的氧化層（7)采用高K氧化物Hf02。
3. 根據權利要求1或2所述的一種雙線性摻雜漏異質材料柵氧化層石墨烯隧穿場效應 管，其特征在于，所述石墨烯納米條帶臨近源極一端的P型重摻雜區（2)和線性摻雜區（3) 構成源拓展區，長度為1^，臨近漏極一端的N型重摻雜區（4)和線性摻雜區（5)構成漏拓展 區，長度為L D，其中Ls = LD ;源端的線性摻雜區（3)長度為LU1，漏端的線性摻雜區（5)的長 度為Lu2，其中L U1 = Lu2 = 1/2LS ;靠近源極氧化層（6)的長度為L，靠近漏極氧化層（7)的 長度為L&，其中=
【文檔編號】H01L29/49GK104091829SQ201410335055
【公開日】2014年10月8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 申請人:南京郵電大學