Ni全硅化金属栅功函数调节技术研究

通过制备栅内不同掺杂条件的Ni全硅化金属栅电容并分析其C-V和V_fb-EOT特性发现,Ga和Yb较常规的杂质而言具有更好的栅功函数调节能力,能够分别将Ni全硅化金属栅电极功函数调节到价带顶和导带底附近,满足高性能体硅平面互补金属氧化物半导体(CMOS)器件对栅电极功函数的要求. 同时根据电偶极子(Dipole)理论分析了Ga和Yb具有较强栅功函数调节能力的原因. 另外,研究发现栅内掺入Ga或Yb杂质后的Ni全硅化金属栅电容的电容值变大、栅极泄漏电流反而变小,通过对C-V和栅极泄漏电流特性进行分析,对这一现象进行了解释. 关键词： 金属栅电极 功函数 硅化物     

非对称Halo异质栅应变Si SOI MOSFET的二维解析模型

为了进一步提高深亚微米SOI (Silicon-On-Insulator) MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 的电流驱动能力, 抑制短沟道效应和漏致势垒降低效应, 提出了非对称Halo异质栅应变Si SOI MOSFET. 在沟道源端一侧引入高掺杂Halo结构, 栅极由不同功函数的两种材料组成. 考虑新器件结构特点和应变的影响, 修正了平带电压和内建电势. 为新结构器件建立了全耗尽条件下的表面势和阈值电压二维解析模型. 模型详细分析了应变对表面势、表面场强、阈值电压的影响, 考虑了金属栅长度及功函数差变化的影响. 研究结果表明,提出的新器件结构能进一步提高电流驱动能力, 抑制短沟道效应和抑制漏致势垒降低效应, 为新器件物理参数设计提供了重要参考. 关键词： 非对称Halo 异质栅 应变Si 短沟道效应     

异质栅全耗尽应变硅金属氧化物半导体模型化研究

为了进一步提高小尺寸金属氧化物半导体(MOSFET)的性能,在应变硅器件的基础上, 提出了一种新型的异质栅MOSFET器件结构.通过求解二维Poisson方程,结合应变硅技术的物理原理,建立了表面势、表面电场以及阈值电压的物理模型,研究了栅金属长度、功函数以及双轴应变对其的影响. 通过仿真软件ISE TCAD进行模拟仿真,模型计算与数值模拟的结果基本符合. 研究表明：与传统器件相比,本文提出的异质栅应变硅新器件结构的载流子输运效率进一步提高, 可以很好地抑制小尺寸器件的短沟道效应、漏极感应势垒降低效应和热载流子效应, 使器件性能得到了很大的提升. 关键词： 应变硅 异质栅 阈值电压 解析模型     

MoS2/MoTe2垂直异质结的电荷传输及其调制

二维材料异质结器件具有纳米级厚度及范德瓦耳斯接触表面,因而表现出独特的光电特性.本文构建了栅压可调的MoS₂/MoTe₂垂直异质结器件,利用开尔文探针力显微镜(KPFM)技术结合电输运测量,揭示了MoS₂/MoTe₂异质结分别在黑暗和532 nm激光照射条件下的电荷输运行为,发现随着栅压的变化异质结表现出从n-n⁺结到p-n结的反双极性特征.系统地解释了MoS₂/MoTe₂异质结的电荷输运机制,包括n-n⁺结和p-n结在正偏和反偏下条件下的电荷输运过程、随栅压变化而发生的转变的结区行为、接触势垒对电荷输运的影响、n-n⁺结和p-n结具有不同整流特征的原因、偏压对带间隧穿的重要作用及光生载流子对电学输运行为的影响等.本文所使用的方法可推广到其他二维异质结体系,为提高二维半导体器件性能及其应用提供了重要的参考和借鉴.     

改进型异质栅对深亚微米栅长碳化硅MESFET特性影响

基于器件物理分析方法,结合高场迁移率、肖特基栅势垒降低、势垒隧穿等物理模型, 分析了改进型异质栅结构对深亚微米栅长碳化硅肖特基栅场效应晶体管沟道电势、 夹断电压以及栅下电场分布的影响.通过与传统栅结构器件特性的对比表明, 异质栅结构在碳化硅肖特基栅场效应晶体管的沟道电势中引入了多阶梯分布,加强了近源端电场; 另一方面,相比于双栅器件,改进型异质栅器件沟道最大电势的位置远离源端, 因此载流子在沟道中加速更快,在一定程度上屏蔽了漏压引起的电势变化,更好抑制了短沟道效应. 此外,研究了不同结构参数的异质栅对短沟道器件特性的影响,获得了优化的设计方案, 减小了器件的亚阈值倾斜因子.为发挥碳化硅器件在大功率应用中的优势,设计了非对称异质栅结构, 改善了栅电极边缘的电场分布,提高了小栅长器件的耐压.     

异质多晶SiGe栅应变Si NMOSFET物理模型研究

结合了“栅极工程”和“应变工程”二者的优点, 异质多晶SiGe栅应变Si MOSFET, 通过沿沟道方向使用不同功函数的多晶SiGe材料, 在应变的基础上进一步提高了MOSFET的性能. 本文结合其结构模型, 以应变Si NMOSFET为例, 建立了强反型时的准二维表面势模型, 并进一步获得了其阈值电压模型以及沟道电流的物理模型. 应用MATLAB对该器件模型进行了分析, 讨论了异质多晶SiGe栅功函数及栅长度、衬底SiGe中Ge组分等参数对器件阈值电压、沟道电流的影响, 获得了最优化的异质栅结构. 模型所得结果与仿真结果及相关文献给出的结论一致, 证明了该模型的正确性. 该研究为异质多晶SiGe栅应变Si MOSFET的设计制造提供了有价值的参考. 关键词： 异质多晶SiGe栅 应变Si NMOSFET 表面势 沟道电流     

石墨烯电极弯折对2-苯基吡啶分子器件负微分电阻特性的调控和机理

采用非平衡格林函数结合密度泛函理论探讨了以锯齿型石墨烯纳米带为电极、2-苯基吡啶分子为中心区的分子器件电子输运性质.分析I-V特性及透射谱随偏压的变化表明,电极弯折能够调控器件负微分电阻特性,使器件峰值电压(V_p)减小、电流峰谷比(PVR)增大,当电极弯折角度为15°时,器件获得低峰值电压(0.1 V)、高电流峰谷比(12.84)的负阻特性.平衡态下器件的透射谱、态密度、散射态实空间分布图及投影态密度解释了器件负阻特性被调控源于电极弯折使器件中心分子与电极间的波函数交叠发生变化,导致两者间耦合减弱.弱耦合下外加偏压后,器件的透射系数因能级移动和偏压的变化而产生大幅波动,使器件在低偏置电压处即出现大的透射系数,产生峰值电流I_p,降低了器件的V_p,且增大了PVR值,其所获得的低V_p、高PVR的负阻特性在低功耗分子电子领域具有潜在的应用前景.     

V2O5电极修饰对C60/Pentacene双层异质结场效应晶体管性能的影响

制备了用过渡金属氧化物V₂O₅修饰Al源、漏电极的C₆₀/Pentacene双层异质结有机场效应管.该构型器件与未修饰器件相比,呈现出典型的双极型晶体管传输特性.电子迁移率和空穴迁移率分别达到8.6×10^-2cm²/V·s^-1和6.4×10^-2cm²/V·s^-1,阈值电压分别为25 V和-25 V.器件性能改善的原因主要是由于插入V₂O₅修饰层后,可以明显降低Al电极与Pentacene之间的接触势垒,提高空穴的有效注入,从而使电子和空穴的注入接近平衡.研究表明,采用V₂O₅修饰电极方法,是制备低成本、高性能的双极型有机场效应管并实现其商业应用的有效途径.     

AlGaN/GaN双异质结F注入增强型高电子迁移率晶体管

理论模拟了不同GaN沟道厚度的双异质结(AlGaN/GaN/AlGaN/GaN)材料对高电子迁移率晶体管(HEMT)特性的影响,并模拟了不同F注入剂量下用该材料制作的增强型器件的特性差异.采用双异质结材料,结合F注入工艺成功地研制出了较高正向阈值电压的增强型HEMT器件.实验研究了三种GaN沟道厚度制作的增强型器件直流特性的差异,与模拟结果进行了对比验证.采用降低的F注入等离子体功率,减小了等离子体处理工艺对器件沟道迁移率的损伤,研制出的器件未经高温退火即实现了较高的跨导和饱和电流特性.对14 nm GaN沟道厚度的器件进行了阈值电压温度稳定性和栅泄漏电流的比较研究,并且分析了双异质结器件的漏致势垒降低效应.     

C50富勒烯分子的电子结构与传输特性研究

本文构建了Au原子面为电极的富勒烯C₅₀分子的电子输运模型,使用非平衡格林函数方对构建的以Au原子面为电极的C₅₀分子的电子输运模型进行了电子传输性质的计算.通过计算得出了电子透射谱、电导曲线和电流电压曲线,分析了此分子器件产生电子输运性质的原因.研究计算结果发现:C₅₀分子具有量子器件的开关特性,并具有明显的半导体特征.     

基于非平衡Green函数理论的峰值掺杂-低掺杂漏结构碳纳米管场效应晶体管输运研究

为改善碳纳米管场效应晶体管的性能,将一种峰值掺杂-低掺杂漏(HALO-LDD)掺杂结构引入碳纳米管沟道.在量子力学非平衡Green函数理论框架内,通过自洽求解Poisson方程和Schrödinger方程,构建了适用于非均匀掺杂的碳纳米管场效应管的输运模型,该模型可实现场效应晶体管的输运性质与碳纳米管手性指数的对接. 利用该模型研究了单HALO双LDD 掺杂结构对碳纳米管场效应晶体管输运特性的影响.对比分析表明,这种非均匀掺杂结构的场效应管同本征碳纳米管沟道场效应晶体管相比,具有更低的泄漏电流、更大的电流开关比、更小的亚阈区栅电压摆幅,表明其具有更好的栅控能力; 具有更小的漏源电导,更适合应用于模拟集成电路中;具有更小的阈值电压漂移,表明更能抑制短沟道效应. 同本征沟道碳纳米管场效应晶体管相比,这种非均匀掺杂碳纳米管场效应晶体管在沟道区靠近源端位置,电场强度增大, 有利于增大电子的传输速率;在沟道区靠近漏端位置,电场强度减小,更有利于抑制热电子效应.     

Analytical modeling and simulation of subthreshold behavior in nanoscale dual material gate AlGaN/GaN HEMT

A two-dimensional (2-D) analytical model for a Dual Material Gate (DMG) AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor (HEMT) has been developed to demonstrate the unique attributes of this device structure in suppressing short channel effects (SCEs). The model accurately predicts the channel potential, electric field variation along the channel, and sub-threshold drain current, taking into account the effect of lengths of the two gate metals, their work functions, barrier layer thicknesses, and applied drain biases. It is seen that the SCEs and hot carrier effects in DMG AlGaN/GaN HEMT are suppressed due to the work function difference of the two metal gates, thereby screening the drain potential variations by the gate near the drain. Besides, a more uniform electric field along the channel leads to improved carrier transport efficiency. The accuracy of the results obtained from our analytical model has been verified using ATLAS device simulations.     

单晶金刚石氢终端场效应晶体管特性

基于微波等离子体化学气相淀积生长的单晶金刚石制作了栅长为2μm的耗尽型氢终端金刚石场效应晶体管,并对器件特性进行了分析.器件的饱和漏电流在栅压为-6 V时达到了96 mA/mm,但是在-6 V时栅泄漏电流过大.在-3.5 V的安全工作栅压下,饱和漏电流达到了77 mA/mm.在器件的饱和区,宽5.9 V的栅电压范围内,跨导随着栅电压的增加而近线性增大到30 mS/mm.通过对器件导通电阻和电容-电压特性的分析,氢终端单晶金刚石的二维空穴气浓度达到了1.99×10~(13)cm~(-2),并且迁移率和载流子浓度均随着栅压向正偏方向的移动而逐渐增大.分析认为,沟道中高密度的载流子、大的栅电容以及迁移率的逐渐增加是引起跨导在很大的栅压范围内近线性增加的原因.     

开态应力下电压和电流对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的退化作用研究

通过采集等功率的两种不同开态直流应力作用下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)漏源电流输出特性、源区和漏区大信号寄生电阻、转移特性、阈值电压随应力时间的变化, 并使用光发射显微镜观察器件漏电流情况, 研究了开态应力下电压和电流对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的退化作用. 结果表明, 低电压大电流应力下器件退化很少, 高电压大电流下器件退化较明显. 高电压是HEMTs退化的主要因素, 栅漏之间高电场引起的逆压电效应对参数的永久性退化起决定性作用. 除此之外, 器件表面损坏部位的显微图像表明低电压大电流下器件失效是由于局部电流密度过高, 出现热斑导致器件损伤引起的.     

对称三材料双栅应变硅金属氧化物半导体场效应晶体管二维解析模型

提出了对称三材料双栅应变硅金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构,为该器件结构建立了全耗尽条件下的表面势模型、表面场强和阈值电压解析模型,并分析了应变对表面势、表面场强和阈值电压的影响,讨论了三栅长度比率对阈值电压和漏致势垒降低效应的影响,对该结构器件与单材料双栅结构器件的性能进行了对比研究.结果表明,该结构能进一步提高载流子的输运速率,更好地抑制漏致势垒降低效应.适当优化三材料栅的栅长比率,可以增强器件对短沟道效应和漏致势垒降低效应的抑制能力.     

电离辐射环境下的部分耗尽绝缘体上硅n型金属氧化物半导体场效应晶体管可靠性研究

随着半导体技术的进步, 集成小尺寸绝缘体上硅器件的芯片开始应用到航空航天领域, 使得器件在使用中面临了深空辐射环境与自身常规可靠性的双重挑战. 进行小尺寸器件电离辐射环境下的可靠性试验有助于对器件综合可靠性进行评估. 参照国标GB2689.1-81恒定应力寿命试验与加速寿命试验方法总则进行电应力选取, 对部分耗尽绝缘体上硅n型金属氧化物半导体场效应晶体管进行了电离辐射环境下的常规可靠性研究. 通过试验对比, 定性地分析了氧化物陷阱电荷和界面态对器件敏感参数的影响, 得出了氧化物陷阱电荷和界面态随着时间参数的变化, 在不同阶段对器件参数的影响. 结果表明, 总剂量效应与电应力的共同作用将加剧器件敏感参数的退化, 二者的共同作用远大于单一影响因子.     

Non-recessed-gate quasi-E-mode double heterojunction AlGaN/GaN high electron mobility transistor with high breakdown voltage

A non-recessed-gate quasi-E-mode double heterojunction AlGaN/GaN high electron mobility transistor(quasi-EDHEMT) with a thin barrier, high breakdown voltage and good performance of drain induced barrier lowering(DIBL)was presented. Due to the metal organic chemical vapor deposition(MOCVD) grown 9-nm undoped AlGaN barrier, the effect that the gate metal depleted the two-dimensiomal electron gas(2DEG) was greatly impressed. Therefore, the density of carriers in the channel was nearly zero. Hence, the threshold voltage was above 0 V. Quasi-E-DHEMT with 4.1-μm source-to-drain distance, 2.6-μm gate-to-drain distance, and 0.5-μm gate length showed a drain current of 260 mA/mm.The threshold voltage of this device was 0.165 V when the drain voltage was 10 V and the DIBL was 5.26 mV/V. The quasi-E-DHEMT drain leakage current at a drain voltage of 146 V and a gate voltage of-6 V was below 1 mA/mm. This indicated that the hard breakdown voltage was more than 146 V.     

金属/掺杂聚合物/金属结构中载流子的注入与输运

基于紧束缚的Su-Schrieffer-Heeger模型,利用非绝热的动力学方法,研究了金属/聚合物/金属三明治结构中载流子注入与输运的动力学过程,其中,聚合物中含有一个掺杂离子. 电子波函数随时间的演化满足含时Schrdinger方程,晶格运动满足经典的牛顿运动方程. 研究发现,掺杂离子对注入到聚合物中的载流子的作用类似一个控制阀门,阀门的状态与电场的强度和偏压的大小密切相关. 关键词： 载流子输运 波包 非绝热动力学