專利名稱：一種非對稱峰值輕摻雜漏結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及石墨烯納米條帶場效應管領域，尤其是涉及非對稱峰值-輕摻雜漏(HALO-LDD)摻雜結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管。
背景技術：
近年來，石墨烯(Graphene)的出現(xiàn)在科學界激起了巨大的波瀾，由于自身的優(yōu)越性質(zhì)而被認為是未來最有發(fā)展?jié)摿Φ奶技{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(huán)境的要求低，并且易于設計成各種結(jié)構(gòu)。然而，由于石墨烯是零帶隙材料，其費米能是呈線性分布的，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(chǎn)生帶隙[HAN M Y, OZYILMAZ B, KIM P, et al.Energy band-gap engineering of graphenenanoribbons [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)。從溝道工程的角度上看，將GNR(石墨烯條帶)作為溝道材料制成的場效應管具有較硅基MOS管更優(yōu)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(gòu)建未來納電子系統(tǒng)中最具潛力的基本元件。盡管如此，由于A-GNRs (ArmchairGNR)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l(Tl5nm的GNRFET開關電流比僅為10左右，完全達不到數(shù)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, ALBERTO VG, 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[Υ00Ν Y, FIORI G, HONG S，etal.Performance comparison of graphene nanoribbon FETs with Schottky contactsand doped reservoirs[J].1EEE 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(shù)字應用，需要減小GNR寬度以增加帶隙，已有實驗數(shù)據(jù)表明，窄帶GNRFETs(條帶寬度約為2±0.5nm)在Vds = 0.5V時，開態(tài)電流密度約為 2000 μ A/ μ m,電流開關比達 106[WANGX., OUYANG Y, LI X, et al.Room-temperatureall-semiconducting sub-10-nm graphene nanoribbon field-effect transistors[J].Phys.Rev.Lett, 2008, 100(20):206803-206807.]。根據(jù)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MOS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(qū)進行重摻雜，使得GNR與源漏電極間形成歐姆接觸從而實現(xiàn)類似MOSFET的結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(xiàn)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(qū)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 graphenenanoribbon FETs with Schottky contacts and doped reservoirs[J].1EEE TransElectron Devices, 2008, 55(9):2314 - 2323.]?？偠灾?，石墨烯憑借其優(yōu)異的電學特性在未來納米電子應用領域有著十分誘人的前景，而具有一定能隙的石墨烯納米條帶更能夠應用于高性能數(shù)字電路、太赫茲頻率器件和超傳感器元件中，并有望取代硅基材料成為引領后硅基時代的主導。不過由于傳統(tǒng)的石墨烯納米條帶場效應管會出現(xiàn)雙極性效應，且隨著器件尺寸不斷縮小，會出現(xiàn)各種二級效應，從而影響器件性能。本工作從溝道摻雜工程的角度出發(fā)，提出一種適用于改善石墨烯納米條帶場效應管性能的新型摻雜結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題:本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)石墨烯納米條帶器件因雙極性效應和其他一系列副效應而引起的器件性能下降問題，提供一種非對稱峰值輕摻雜漏結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管，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(qū)動電流，并有望在數(shù)字電路中獲得應用。技術方案:本發(fā)明受硅基橫向溝道工程的啟發(fā)，將用于改善傳統(tǒng)MOSFET性能的摻雜結(jié)構(gòu)引入GNRFET中，包括梯度摻雜結(jié)構(gòu)[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(yōu)化[J].物理學報，2010，59 (11):8105-8111.]、輕漏摻雜結(jié)構(gòu)
.1EEETrans Electron Devices, 1980，15 (4): 1359-1367.]和峰值摻雜結(jié)構(gòu)[KAUR R, CHAU JARR,SAXENA M,et al.Lateral channel enginerred hetero material insulated shallowextension gate stack(HMISEGAS)MOSFET structure:high performance RF solution forMOS technology [J], Semicond Sci Tech, 2007，22 (10): 1097-1102.]。由于 LDD (輕摻雜漏)摻雜結(jié)構(gòu)可以有效地抑制器件的熱載流子效應，HALO摻雜結(jié)構(gòu)可以有效抑制短溝道效應(如閾值電壓漂移，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?；谏鲜隹紤]，本發(fā)明提出了在GNRFET源極附近進行單HALO摻雜，漏極附近進行單LDD摻雜，以形成非對稱HAL0-LDD-GNRFET結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(fā)明在非平衡格林函數(shù)(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(jié)構(gòu)的GNRFETs電學特性進行了數(shù)值模擬，并給出了相應的性能比較。本發(fā)明對揭示GNRFET的輸運物理機制、改善GNRFET器件結(jié)構(gòu)性能提供理論依據(jù)。本發(fā)明的非對稱峰值輕摻雜漏結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管是一種雙柵結(jié)構(gòu)，其中用扶椅型的石墨烯條帶A-GNR作為導電溝道，溝道與兩個柵電極間用同種電介質(zhì)材料填充，且兩個柵電極以溝道為中心形成對稱結(jié)構(gòu)；器件的源和漏擴展區(qū)均存在一個N型重摻雜區(qū)即N+區(qū)，且在石墨烯納米條帶溝道靠近源區(qū)附近有一個峰值HALO摻雜結(jié)構(gòu)，而在器件漏區(qū)靠近溝道存在一個單獨的輕摻雜漏LDD摻雜結(jié)構(gòu)，最終組成非對稱峰值-輕摻雜漏摻雜結(jié)構(gòu)；即:源區(qū)進行單HALO摻雜，漏區(qū)進行單LDD摻雜。所述的雙柵結(jié)構(gòu)為兩個關于器件溝道對稱的柵，即頂柵和底柵，其采用功函數(shù)為
4.1的錳金屬作為柵極材料，器件溝道與兩柵電極間用柵電介質(zhì)填充，以形成柵氧化層；在器件寬度方向即Y方向，溝道與器件邊界的側(cè)域S也填充同類型的柵電介質(zhì)來進行絕緣。所述的石墨烯納米條帶采用本征扶椅型armchair,作為器件的導電溝道,其與器件的兩個柵電極平行且等長。所述的器件的源擴展區(qū)，長度為Ls，采用N型重摻雜，以形成N+區(qū)；而漏擴展區(qū)，長度為Ld，包含N+區(qū)和輕摻雜漏LDD摻雜結(jié)構(gòu)兩個部分，其中N+區(qū)與源區(qū)一樣，表示一個N型重摻雜區(qū)，輕摻雜漏LDD摻雜結(jié)構(gòu)表示一個輕摻雜區(qū)；在本征石墨烯納米條帶溝道附近靠近器件源極處還有一個峰值HALO摻雜結(jié)構(gòu)，這樣，便組成了一個非對稱HALO-LDD摻雜結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管。有益效果:本發(fā)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(yōu)化摻雜策略，并基于非平衡格林函數(shù)的方法，對比分析了不同摻雜結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管的電學特性，如1-V電流特性、亞閾值特性和尺寸縮小等電學特性，結(jié)果表明，采用非對稱峰值-輕摻雜漏摻雜策略的GNRFET相比其他摻雜結(jié)構(gòu)具有更大的閾值電壓、更低的關態(tài)電流、更高的開關電流比、更小的閾值電壓漂移，表明該器件能更好的抑制DIBL效應，更低的亞閾區(qū)柵壓擺幅，說明該器件擁有更優(yōu)的柵控能力，能更好的抑制短溝道效應，LDD摻雜結(jié)構(gòu)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(qū)動電流，并有望在數(shù)字電路中獲得應用。


圖1采用非對稱HALO-LDD摻雜策略的GNRFET結(jié)構(gòu)圖(a)垂直截面示意圖(b)橫截面示意圖。圖2石墨烯條帶系統(tǒng)簡圖。圖3基于非平衡格林函數(shù)(NEGF)的自洽迭代求解過程。其中有:柵1、柵氧化層2、N+區(qū)3、峰值HALO摻雜結(jié)構(gòu)4、石墨烯納米條帶5、輕摻雜漏LDD摻雜結(jié)構(gòu)6。
具體實施例方式本發(fā)明研究的類MOSFET結(jié)構(gòu)的GNRFET如圖1所示，它是一種雙柵結(jié)構(gòu)，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是完全對稱的，器件的源/漏擴展區(qū)通過氣相或液相化學離子注入方式進行N型重摻雜，另在石墨烯納米條帶溝道靠近源區(qū)附近進行峰值(HALO)摻雜，而在器件漏區(qū)靠近溝道處采用N型輕摻雜，從而形成非對稱峰值-輕摻雜漏摻雜結(jié)構(gòu)。器件的仿真是通過在實空間下構(gòu)建緊束縛哈密頓量，將GNRFET看成一個如圖2所示的石墨烯條帶系統(tǒng)，然后基于非平衡格林函數(shù)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(tǒng)的其他電學參量。
針對類金屬-氧化層-半導體場效應管(MOSFET-Like)的石墨烯器件會出現(xiàn)典型的雙極型效應，以及隨著器件尺寸不斷縮小等因素會產(chǎn)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(fā)，提出一種用于改善常規(guī)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(shù)(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(gòu)建了適用于非均勻摻雜的石墨烯場效應管的輸運模型，并利用該模型分析采用非對稱HALO-LDD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:A.它是一種雙柵結(jié)構(gòu),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(zhì)材料填充，且兩個柵電極以溝道為中心形成對稱結(jié)構(gòu)。B.器件的源/漏擴展區(qū)均采用N型重摻雜，另在石墨烯納米條帶溝道靠近源區(qū)附近進行峰值(HALO)摻雜，而在器件漏區(qū)靠近溝道處采用N型輕摻雜，最終形成非對稱峰值-輕摻雜漏摻雜結(jié)構(gòu)(源區(qū)進行單HALO摻雜，漏區(qū)進行單LDD摻雜)。C.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。模型的計算是利用非平衡格林函數(shù)(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(fā)明所計算的石墨烯納米條帶場效應管可以用圖2所示的電子系統(tǒng)來描述，即整個系統(tǒng)包括兩個自能矩陣Σ 3和5 D，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(tǒng)的遲滯格林函數(shù)有如下形式[DATTA S.Nanoscale device modeling: The Green’s functionmethod[J].Superlattices Microstruct, 2000, 28(4):253 - 278.]:G(E) = [ (E+i η.)1-H- Ed-Es]1(I)式中E為能量，η +是一個正無窮小量，I是單位矩陣，Σ s和乙D分別為器件源和漏電極貢獻的自能項，可根據(jù)表面格林函數(shù)通過迭代求出。在緊束縛近似下，描述GNR溝道的哈密頓矩陣H可表不為三對角矩陣的形式[DATTA S.Nanoscale device modeling:TheGreen，s function method[J].Superlattices Microstruct, 2000, 28(4):253-278.]:
權利要求
1.一種非對稱峰值輕摻雜漏結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管，其特征在于該場效應管是一種雙柵(I)結(jié)構(gòu)，其中用扶椅型的石墨烯條帶A-GNR作為導電溝道，溝道與兩個柵電極間用同種電介質(zhì)材料填充，且兩個柵電極以溝道為中心形成對稱結(jié)構(gòu)；器件的源和漏擴展區(qū)均存在一個N型重摻雜區(qū)即N+區(qū)(3)，且在石墨烯納米條帶(5)溝道靠近源區(qū)附近有一個峰值HALO摻雜結(jié)構(gòu)(4)，而在器件漏區(qū)靠近溝道存在一個單獨的輕摻雜漏LDD摻雜結(jié)構(gòu)(6)，最終組成非對稱峰值-輕摻雜漏摻雜結(jié)構(gòu)；即:源區(qū)進行單HALO摻雜，漏區(qū)進行單LDD摻雜。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種非對稱峰值輕摻雜漏結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管，其特征在于所述的雙柵結(jié)構(gòu)為兩個關于器件溝道對稱的柵(I )，即頂柵和底柵，其采用功函數(shù)為4.1的錳金屬作為柵極材料，器件溝道與兩柵電極間用柵電介質(zhì)填充，以形成柵氧化層(2 );在器件寬度方向即Y方向，溝道與器件邊界的側(cè)域S也填充同類型的柵電介質(zhì)來進行絕緣。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種非對稱峰值輕摻雜漏結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管，其特征在于所述的石墨烯納米條帶(5)采用本征扶椅型，作為器件的導電溝道，其與器件的兩個柵電極平行且等長。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種非對稱峰值輕摻雜漏結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管，其特征在于所述的器件的源擴展區(qū)，長度為Ls,采用N型重摻雜，以形成N+區(qū)(3);而漏擴展區(qū)，長度為4，包含N+區(qū)(3)和輕摻雜漏LDD摻雜結(jié)構(gòu)(6)兩個部分，其中N+區(qū)(3)與源區(qū)一樣，表不一個N型重摻雜區(qū),輕摻雜漏LDD摻雜結(jié)構(gòu)(6)表不一個輕摻雜區(qū)；在本征石墨烯納米條帶溝道附近靠近器件源極處還有一個峰值HALO摻雜結(jié)構(gòu)(4)，這樣，便組成了一個非對稱HALO-LDD摻雜結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非對稱峰值輕摻雜漏結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應管?；诹孔恿W非平衡Green函數(shù)理論框架，在開放邊界條件下，通過自洽求解三維泊松(3D-Poisson)和薛定諤(Schr dinger)方程，構(gòu)建了適用于非均勻摻雜的石墨烯場效應管的輸運模型，并利用該模型分析計算非對稱HALO-LDD摻雜策略對石墨烯納米條帶場效應管(GNRFET)電學特性的影響。通過與采用其他摻雜策略GNRFET的輸出特性、轉(zhuǎn)移特性、開關電流比、亞閾值擺幅、閾值電壓漂移等電學特性對比分析，發(fā)現(xiàn)這種摻雜結(jié)構(gòu)的石墨烯場效應管具有更大的開關電流比、更低的泄漏電流、更小的亞閾值擺幅和閾值電壓漂移，即表明采用非對稱HALO-LDD摻雜策略的GNRFET具有更好的柵控能力，能夠有效的抑制短溝道效應和熱載流子效應。
文檔編號H01L29/423GK103077968SQ20131000121
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權日2013年1月4日
發(fā)明者王偉, 楊恒新, 蔣嗣韜, 陸峰 申請人:南京郵電大學