[發(fā)明專利]一種三材料異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應(yīng)管

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310141602.4
• 申請日: 2013-04-22
• 公開（公告）號: CN103258858A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王偉;夏春萍;肖廣然;楊曉
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: H01L29/786
• 分類號: H01L29/786;H01L29/49;B82Y10/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯納米條帶場效應(yīng)管領(lǐng)域，尤其是在石墨烯納米條帶器件的結(jié)構(gòu)對器件性能的優(yōu)化方面。

背景技術(shù)

石墨烯是一種平面結(jié)構(gòu)的材料，它由碳原子通過sp²化學(xué)鍵相連形成蜂窩狀排列而構(gòu)成，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一種在室溫下保持穩(wěn)定二維結(jié)構(gòu)的平面材料。目前，硅材料納米器件幾乎達(dá)到極限，很難再進(jìn)一步提升性能。而石墨烯得益于自身所具有的高載流子遷移率，以及優(yōu)秀的機(jī)械特性和熱學(xué)穩(wěn)定性，能很好的克服硅材料器件在性能進(jìn)一步提升時(shí)所出現(xiàn)的種種限制，被認(rèn)為是在未來能取代硅基器件的材料。

對石墨烯在某一特定的方向上以很窄的寬度進(jìn)行刻蝕，或者進(jìn)行復(fù)制排列，就可以形成石墨烯納米條帶。相比于二維的石墨烯，石墨烯條帶打開了較小的帶隙，因此電學(xué)特性比零帶隙的二維石墨烯有了顯著的提升。石墨烯條帶的電學(xué)特性對條帶的寬度和邊緣的形狀十分敏感，可以分為鋸齒型石墨烯條帶和扶手型石墨烯條帶。鋸齒型的石墨烯條帶，無論條帶的寬度是多少，都表現(xiàn)出金屬的特性。而扶手型石墨烯條帶隨著空隙寬度和條帶寬度的變化會表現(xiàn)出金屬或者半導(dǎo)體的特性。

半導(dǎo)體型的石墨烯納米條帶可以用作場效應(yīng)管的溝道材料，許多研究表明，石墨烯納米條帶場效應(yīng)管（GNRFET）將成為CMOS器件的有力競爭者。相比于硅基材料，GNRFET在器件內(nèi)部電子的輸運(yùn)機(jī)制近似于彈道輸運(yùn)，GNRFET能獲得更高的驅(qū)動電流，更快的響應(yīng)速度，以及功耗的顯著下降。

隨著器件尺寸的減小，溝道的長度越來越短，短溝道效應(yīng)（SCE）的出現(xiàn)減弱了器件的柵控能力。雙柵的結(jié)構(gòu)能一定程度上提升柵極的控制能力，但并不能抑制短溝道效應(yīng)。為了提高器件對SCE的抵抗能力，一種異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)被提出。在異質(zhì)柵場效應(yīng)管中，兩種或是三種具有不同功函數(shù)的金屬被混合使用構(gòu)成柵極。與單材料柵相比，異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)能夠抑制SCE，提高跨導(dǎo)，提高開關(guān)電流比，增強(qiáng)柵控能力。

異質(zhì)柵的結(jié)構(gòu)對器件在高頻和小尺寸下的性能有很大提升。因此，本發(fā)明提出了一種三材料異質(zhì)柵石墨烯納米條帶場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，以期望這種結(jié)構(gòu)能夠顯著的抑制短溝道效應(yīng)和提高器件性能。通過自洽求解非平衡格林函數(shù)和三維泊松方程的量子仿真結(jié)果表明，本發(fā)明不但提高了開關(guān)電流比，還同時(shí)器件還具有良好的柵控能力。并且通過與其它結(jié)構(gòu)的比較，證明了本發(fā)明所提出結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)的石墨烯納米條帶場效應(yīng)管會出現(xiàn)雙極性效應(yīng)，且隨著器件尺寸不斷縮小，會出現(xiàn)短溝道效應(yīng)而引起器件性能下降問題，考慮了異質(zhì)柵器件的優(yōu)點(diǎn)，對柵極采用三種不同功函數(shù)的金屬，以構(gòu)成MOS的異質(zhì)柵，提出一種三材料異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應(yīng)管。

技術(shù)方案：目前基于石墨烯納米條帶構(gòu)建的場效應(yīng)管仍然處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，為揭示納米尺度下該種結(jié)構(gòu)器件的量子輸運(yùn)特性，本發(fā)明基于GNRFET中的電勢和電荷密度的自洽計(jì)算，利用非平衡格林函數(shù)來計(jì)算電荷密度，將求出的載流子密度代入到器件三維的泊松（Poisson）方程中自洽求解，構(gòu)建了適用于改善石墨烯納米條帶場效應(yīng)管的性能的新型三材料異質(zhì)柵GNRFET的輸運(yùn)模型，利用該模型比較分析傳統(tǒng)的和三材料異質(zhì)柵石墨烯納米條帶場效應(yīng)管的亞閾斜率、驅(qū)動電流、開關(guān)電流比等電學(xué)特性。研究結(jié)果表明，三材料異質(zhì)柵器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，具有更低的泄漏電流，更高的電流開關(guān)比，更能抑制漏致勢壘降低(DIBL)效應(yīng)，提高器件的亞閾特性。

本發(fā)明的三材料異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應(yīng)管包括：導(dǎo)電溝道、源區(qū)、漏區(qū)、柵極氧化層、源極、漏極、柵極；所述的導(dǎo)電溝道、源區(qū)和漏區(qū)采用一本征半導(dǎo)體石墨烯納米條帶，其最中間部分作為三材料異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道，對本征半導(dǎo)體石墨烯納米條帶的兩端采用分子或金屬離子進(jìn)行N型重?fù)诫s后，分別作為三材料異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應(yīng)管的源區(qū)、漏區(qū)；在所述的導(dǎo)電溝道、源區(qū)和漏區(qū)外，采用原子沉積等方法生成一層?xùn)艠O氧化層，在柵極氧化層外再沉淀一層金屬電極，作為三材料異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應(yīng)管的柵極，所述的柵極采用三種不同功函數(shù)的導(dǎo)電金屬制作，形成三材料異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶場效應(yīng)管的異質(zhì)柵；在位于源區(qū)和漏區(qū)之上的柵極氧化層上分別刻蝕一源極引線孔和漏極引線孔，在該源極引線孔內(nèi)制備所述的源極，在漏極引線孔內(nèi)制備所述的漏極。

所述的三種不同功函數(shù)的導(dǎo)電金屬，其功函數(shù)分配規(guī)則為三種材料的功函數(shù)從源區(qū)向漏區(qū)逐步減小，或是中間功函數(shù)最大，靠漏區(qū)一側(cè)功函數(shù)最小，并且三者等長，均為柵極長度的1/3；所述的源極和漏極均由導(dǎo)電金屬制作。