关键词：
晶体管
隧穿
低维
量子输运
第一性原理
摘要：
当今世界,信息科技日新月异,作为其基础的半导体技术也在飞速发展。根据摩尔定律:集成电路元器件数目每隔18-24个月增加一倍,决定元器件密度的晶体管沟道长度在不断的降低。沟道长度的降低,使载流子的传递速度大大增加,从而极大的提高了集成电路的性能。同时,随着栅极面积的减小,其对载流子的控制能力也会降低,影响了晶体管的开关特性。为了克服这个矛盾,致力于晶体管结构和材料演化的探索在持续的向前推进,而这其中最值得深入研究的,就是基于低维半导体材料的新型电子器件。由于低维材料纷繁复杂的特性和工艺的难度,在探索的进程中,理论和仿真的支撑必不可少。为了从理论上对低维材料新器件进行仿真,论文研究并发展了低维量子输运多尺度仿真流程。在流程基础上,从晶体管结构,材料,工作原理等多方面进行探索,利用尺寸控制、边沿控制、拓扑结构、掺杂控制、钝化饱和、范德华力等多种手段改造低维材料电学特性,为设计新型半导体器件和预测器件性能提供新思路。相比于传统体材料,低维材料晶体管的仿真算法与之有着本质的区别。传统体硅材料仿真算法中,载流子的输运主要遵循漂移扩散和热电子发射理论,辅以极端情况下的量子修正算法。然而,无论是准一维的纳米线还是二维材料,输运方式都更加的偏向于量子输运。不仅如此,这些材料的超高活性和可塑性,也需要从原子和结构内部进行更具体的分析。仅仅依靠体材料参数和量子修正算法,对结构千变万化的新材料进行性能预测是不准确的。因此,结合更基础的材料性质计算,使材料的性质变化能够实时的反映在与其对应的器件特性当中,才是解决问题的关键。论文针对不同的低维材料,参考实际测量数据,使用第一性原理计算并引入交换关联修正,得到计算与实际匹配的电子特性;根据不同原子轨道特点,利用万尼尔变换,合理选择初始猜测,将第一性原理的到的特性完整的传递到器件仿真当中;使用非平衡格林函数法,迭代求解薛定谔方程和泊松方程,最终得到器件的输运特性。自鳍栅结构场效应晶体管的提出以来,二维的半导体平面栅工艺变成了三维的摩天大楼,极大的提高了晶体管性能,使摩尔定律得以延续。鳍栅之后,硅纳米线环栅场效应晶体管以其对沟道近乎完美的控制能力,被认为是7纳米节点以下最合适的晶体管结构。论文研究了环栅场效应晶体管中准一维硅纳米线圆形、正方形以及三角形截面产生的不同量子束缚效应。在此基础上,探讨了硅锗核壳纳米线材料的性质及相对于纯硅或者纯锗纳米线在晶体管应用中的优缺点,并且也融入了截面形状效应的研究。石墨烯等二维材料的发现,颠覆了整个半导体领域的研究。二维材料因超高的表面积与体积比,使其拥有许多体材料所不具备的性质特点,例如天然的半导体平面工艺兼容性,克服了栅控能力不足的缺点;超强的活性,易于根据性能需要进行改造等等。论文以石墨烯和磷烯为研究对象,具体探索了它们在场效应晶体管应用中的独特性质,包括:石墨烯纳米带带隙对宽度变化极强的灵敏性导致的晶体管开关电流较大的波动;石墨烯边缘饱和与内部拓扑结构变化对器件性能的影响并矫正参数;磷烯在晶体管应用中非对称输运的机理探究等等。二维材料的应用也面临诸多问题,如性质不稳定,工艺偏差大等。为此,论文探究了石墨烯纳米带在缺陷状态下输运能力的降低,并设法克服缺陷产生的影响,减小了工艺偏差。传统晶体管在新材料和结构的改良下,性能得到极大的增强。然而,其理论极限依然存在,即载流子在源漏之间的传递速度无法进一步增加。在此基础上,隧穿场效应晶体管应运而生。它凭借载流子在能带中的隧穿达到输运的目的,使载流子传递速度大大增加,打破了传统晶体管的极限,使晶体管在很小的栅电压摆幅内获得很大的开关电流比,显著的降低了晶体管功耗。然而,均一材料的能带结构会使隧穿晶体管的开关电流同时增加或减小,影响开关电流比的上升。论文利用石墨烯纳米带能带工程,使隧穿晶体管开关态受不同隧穿势垒的控制,增加开态电流的同时能够抑制关态电流,从理论上得到了完美的晶体管特性。在此基础上,总结出了隧穿晶体管设计思路,为其应用打下了理论基础。不仅仅是数字电路晶体管,论文在新材料的压力传感器应用方面也进行了一定的探索。通过分析双层磷烯层间范德瓦尔斯力在垂直应力下对其能带结构的影响,发现垂直压力能够降低双层磷烯禁带宽度,从而大大增加对应器件的导电性。利用这个性质设计磷烯压力传感器,可以得到优于传统传感器的极高的灵敏度。本论文紧紧抓住微电子领域的前沿,积极研究和发展了先进的仿真流程,从材料特性到器件性能等多方面入手进行了探索,并尝试了从理论上对器件新特性的解释,为未来半导体技术的发展提供了一定的思路。
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