基于异质双栅电极结构提高碳纳米管场效应晶体管电子输运 - 物理学报.pdf

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 14 (2013) 147308 基于异质双栅电极结构提高碳纳米管场效应 晶体管电子输运效率* 1† 1 1 1 1 2 刘兴辉 赵宏亮 李天宇 张仁 李松杰 葛春华 1) ( 辽宁大学物理学院, 沈阳 110036 ) 2) ( 辽宁大学化学院, 沈阳 110036 ) ( 2013年3月13 日收到; 2013年4月2 日收到修改稿) 为改善碳纳米管场效应晶体管(CNTFET) 器件性能, 提高电子输运效率, 提出了一种异质双金属栅(HDMG) 电 极结构CNTFET 器件. 通过对单金属栅(SMG)-CNTFET 器件输运模型的适当修改, 实现了对HDMG-CNTFET 器件 电子输运特性的研究. 研究结果表明, 对于所提出的HDMG 结构器件, 如果固定源端金属栅S-gate 的功函数WGS 使 其等于本征CNT 的功函数, 而选取漏端金属栅D-gate 的功函数WGd , 使其在一定范围内小于WGS , 可优化器件沟道 中的电场分布, 提高器件沟道电子平均输运速率; 同时由于HDMG-CNTFET 的D-gate 对沟道电势具有调制作用, 使 该器件阈值电压降低, 导致在相同的工作电压下, HDMG-CNTFET 器件具有更大的通态电流; 而D-gate 对漏电压的 屏蔽作用又使HDMG-CNTFET 与SMG-CNTFET 相比具有更好的栅控能力及减小漏极感应势垒降低效应、热电子 效应和双极导电性等优点. 本研究通过合理选取HDMG-CNTFET 双栅电极的功函数, 有效克服了现有研究中存在 的改善CNTFET 性能需要以减小通态电流为代价的不足, 重要的是提高了器件的电子输运效率, 进而可提高特征频 率、减小延迟时间, 有利于将CNTFET 器件应用于高速/高频电路. 关键词: CNTFET, 异质双栅, 电子输运效率, 双极导电性 PACS: 73.63.Fg, 85.35.Kt, 73.23.Ad, 73.23.−b DOI: 10.7498/aps.62.147308 7,8 为可能 . 1 引言 然而, 一方面, 随器件尺寸缩小, 与硅基MOS- FET 器件类似, 在几十纳米甚至十几纳米尺度范 碳纳米管(carbon nanotube, CNT) 自1991 年被 围内, 栅控能力下降, 短沟道效应、热载流子效应 发现以来, 因具有独特的准一维几何结构、对称 等也不可避免地限制CNTFET 器件的进一步应用. 的能带以及其他优异的物理、化学等性质在诸多 为此, 人们采取多种方法尝试对器件结构进行优 领域得到广泛应用. 从电子学角度来讲, 根据卷曲 9 化, 例如采用源HALO 结构 、源/漏HALO-LDD 手性的不同, CNT 可分别表现出金属性和半导体 10 11 结构 、线性沟道掺杂 、栅与源/漏区交叉重 性1−3 , 利用半导体性CNT 做沟道可制作CNT 场 12