[發(fā)明專利]非對稱峰值摻雜的二硫化鉬隧穿場效應(yīng)管

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910068192.2
• 申請日: 2019-01-24
• 公開（公告）號: CN110010681A
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王偉;吳警;魏鳳華;豐媛媛
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/26;H01L29/10;B82Y10/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開了一種非對稱峰值摻雜的二硫化鉬隧穿場效應(yīng)管，包括半導(dǎo)體襯底、本征二硫化鉬納米條帶、源極、漏極以及兩個柵極，在半導(dǎo)體襯底上從臨近源極一端向臨近漏極一端依次為P型重摻雜區(qū)、非對稱峰值摻雜區(qū)、本征二硫化鉬納米條帶和N型重摻雜區(qū)，通過施加電場使源區(qū)和漏區(qū)之間形成導(dǎo)電溝道，兩個柵極分別位于溝道的兩側(cè)，用于控制溝道中的電流，在溝道和柵極之間還設(shè)有柵氧化層。本發(fā)明具有較大的開關(guān)電流比、較低的漏電流、較小的次閾值擺動、較高的截止頻率和較小的延遲時間，因此具有更優(yōu)秀的柵極控制能力和開關(guān)特性，能有效抑制短溝道效應(yīng)和熱載流子效應(yīng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種二硫化鉬場效應(yīng)管，尤其涉及一種采用二硫化鉬條帶結(jié)構(gòu)加非對稱峰值摻雜的隧穿場效應(yīng)管。

背景技術(shù)

近年來，石墨烯因其卓越的電子和機械性能而引起了科學(xué)家和工程師的極大興趣。這種二維材料提供的創(chuàng)紀(jì)錄的高電子遷移率和出色的靜電控制使其非常適合用作場效應(yīng)晶體管，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(shè)計成各種結(jié)構(gòu)。但是，它的體積形式?jīng)]有帶隙，這是邏輯開關(guān)的基本特征。因此，單層二硫化鉬晶體管的首次演示將邏輯器件社區(qū)的注意力從石墨烯轉(zhuǎn)向過渡金屬二硫化物。過渡金屬二硫化物具有分層結(jié)構(gòu)，因此它們具有許多與石墨烯相同的優(yōu)點，但同時也有著一個顯著差異：許多過渡金屬二硫化物是具有大帶隙的半導(dǎo)體，通常在1和2eV之間。過渡金屬二硫化物及其范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)證明了它們在各種應(yīng)用中的優(yōu)勢，如發(fā)光二極管，激光器，光電探測器，光伏，生物傳感器，熱和機械能量收集器，超級電容器，或作為水分解的催化劑。人們相信它們將在未來的低功耗電子器件中作為存儲器或帶間隧道晶體管發(fā)揮重要作用。二維電子器件的優(yōu)勢預(yù)計會在低于10納米的柵極長度范圍內(nèi)加強，采用數(shù)值模擬檢查這些裝置可以高精度的預(yù)測它們的最終性能。由于實現(xiàn)了分離的石墨烯單層，準(zhǔn)二維(2-D)層狀材料引起了很多關(guān)注。二硫化鉬屬于二維層狀過渡金屬二硫化物。單層MoS₂由六角形排列的Mo和S原子的原子片形成，它們以S-Mo-S夾層堆疊在一起。兩個相鄰的MoS₂單層通過范德華力弱鍵合，允許從大塊MoS₂中剝離單層。由于它們的原子級厚度，單層MoS₂提供高精度的靜電柵極控制，使它們成為有希望的低壓開關(guān)材料。最近，已經(jīng)實現(xiàn)了單層和多層MoS₂晶體管，具有高遷移率，高開關(guān)電流比和良好的亞閾值斜率。

隨著半導(dǎo)體器件集成度越來越高，器件的設(shè)計尺寸隨著摩爾定律迅速減小，傳統(tǒng)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)結(jié)構(gòu)無法在保持較好的高頻特性和較強柵控能力的同時克服器件尺寸縮小時的短溝道效應(yīng)。當(dāng)場效應(yīng)晶體管的柵長縮小到45nm以下時，會受到載流子波爾茲曼熱分布的限制，以及亞閾值擺幅(Subthreshold Swing,SS)的存在，都會嚴重影響到MOSFET器件在相應(yīng)的柵電壓下的開關(guān)速率，并導(dǎo)致MOSFET的漏電流隨著電源電壓的降低呈指數(shù)增長，從而極大增加了靜態(tài)功耗。

近年來科學(xué)家們一直嘗試用隧穿場效應(yīng)晶體管(Tunneling Field EffectTransistor,TFET)來代替MOSFET。隧穿效應(yīng)，也稱作勢壘貫穿效應(yīng)，是一種載流子貫穿勢壘的現(xiàn)象。在量子學(xué)中，電子具有波動性，電子的運動形式可通過薛定諤方程的波函數(shù)來表述。通過解方程可以算出電子穿過勢壘的概率，并發(fā)現(xiàn)隨著勢壘寬度的增加，該概率呈指數(shù)衰減。同時隧穿場效應(yīng)管的工作原理與傳統(tǒng)MOSFET有著本質(zhì)的區(qū)別，MOSFET是通過載流子的擴散漂移來實現(xiàn)工作，而TFET器件是由隧穿帶形成的工作電流是隧穿電流。再從工作原理上來看，由于TFET的開啟電流與溫度不依賴于指數(shù)，導(dǎo)致其亞閾電流與載流子熱分布的沒有絲毫關(guān)系，因此可實現(xiàn)相對小的亞閾值擺幅，從而降低工作電壓，減小器件的關(guān)斷電流，并大大減少靜態(tài)器件的功耗。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種非對稱峰值摻雜的二硫化鉬隧穿場效應(yīng)管，能夠?qū)崿F(xiàn)較小的漏電流、更短的延遲時間和更強的柵控能力。