Luận án mô phỏng transistor ống nanô carbon đồng trục

-2- MỞ ðẦU Ngành công nghiệp bán dẫn giới tiếp tục xu hướng thu nhỏ kích thước, giảm cơng suất tiêu thụ, giảm điện áp nguồn ni, giảm giá thành, tăng mật độ tích hợp, tăng khả ñáp ứng tần số mở rộng dải nhiệt ñộ làm việc linh kiện Tuy nhiên, việc giảm kích thước MOSFET đến thang nanơmét (nm) có giới hạn lý sau: - ðiện trường cao, thiên áp ñặt vào khoảng cách ngắn đánh thủng thác lũ tạo nên tràn dòng hỏng linh kiện Mặt khác, nhiệt độ mơi trường ln ln có nhiễu nhiệt ñộ gây vào khoảng 25 mV Muốn transistor làm việc ổn định nhiệt độ phịng, điện áp tác dụng lên cần phải lớn điện nhiễu bốn năm lần, tức cỡ 100mV Khi thu nhỏ kích thước, điện cực gần hơn, ñiện cỡ 100 mV gây nên ñiện trường ñủ lớn ñể ñánh thủng chất bán dẫn - Các transistor vi mạch phải cách ñiện với ðiện tử từ transistor khơng rị rỉ qua transistor khác Tuy nhiên, transistor gần hiệu ứng đường hầm xảy ra, ñiện tử xuyên qua lớp cách ñiện ý muốn - Mật độ linh kiện mạch cao làm việc nhiệt tỏa nhiều, nhiệt ñộ cao làm cho tuổi thọ linh kiện suy giảm ðiện tử nanô khắc phục hạn chế nêu tạo linh kiện yêu cầu nguồn ni thấp hơn, hoạt động dải nhiệt ñộ rộng hơn, bền vững môi trường áp suất cao hay chân khơng Những nghiên cứu gần linh kiện điện tử có kích thước 100 nm có ứng cử viên sáng giá để thay linh kiện CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) tương lai gần, là: điơt đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode, RTD), transistor ñường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor, RTT), transistor trường ống nanô carbon (Carbon Nanotube -3- Field Effect Transistor, CNTFET), transistor ñơn ñiện tử (Single Electron Transistor, SET), linh kiện phân tử (Molecular Devices, MD), transistor sắt từ (Ferromagnetic Transistor, FT), transistor spin (Spin transistor, ST) Những linh kiện ñã ñang ñược nghiên cứu phịng thí nghiệm tiếng giới qua dự án R&D hãng tổ chức ña quốc gia tài trợ Intel, IBM, AMD, TSMC, Sony,Toshiba, NEC, NASA… Transistor trường ống nanơ carbon ứng cử viên đầy hứa hẹn thay transistor trường MOSFET tương lai tính chất hấp dẫn chúng như: tốc độ đáp ứng cao, kích thước nhỏ, cơng suất tiêu thụ thấp, nhiệt độ làm việc ổn ñịnh… Linh kiện sử dụng ống nanô carbon nhiều năm qua nghiên cứu, mơ số ñã ñược chế tạo giới CNTFET hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng thu hút ý khả chế tạo chúng nhờ công nghệ chế tạo vi mạch hành Những vấn ñề tán xạ ñiện tử (tán xạ ñàn hồi tán xạ không ñàn hồi) có liên quan ñến mức lượng Fermi, nhiệt ñộ, ảnh hưởng rào tiếp xúc kim loại-bán dẫn ñang ñược nhà khoa học tiến hành khảo sát mô Việc nghiên cứu CNTFET ñồng trục theo hướng thực nghiệm chưa thể thực điều kiện Trong mô phương pháp nghiên cứu cho kết đáng tin cậy hồn tồn thực Kết mơ định hướng cho chế tạo thực nghiệm Do đó, phương pháp phù hợp ñể nghiên cứu CNTFET ñồng trục Cho nên tác giả chọn đề tài “Mơ transistor ống nanơ carbon đồng trục” để làm luận án tiến sĩ Vì ñề tài có ý nghĩa thực tiễn cao tình hình Mục tiêu luận án: - Xây dựng mơ hình CNTFET cấu trúc đồng trục sử dụng ống nanơ carbon đơn tường bán dẫn làm kênh dẫn thay cho kênh dẫn silic MOSFET truyền thống Sử dụng kim loại quý : Au, Pt, Pd, Al làm điện cực nguồn máng, lớp ơxít -4- cách điện chất điện mơi có số điện mơi cao : SiO2, Al2O3, HfO2, ZrO2, TiO2, ZrTiO3, Si3N4 … - Sử dụng phương pháp hàm Green khơng cân (NEGF) kết hợp với Matlab để mô biểu diễn không gian hai chiều, ba chiều họ đặc tính dịng CNTFET đồng trục có xét đến tác động nhiều yếu tố : Vật liệu kim loại dùng làm ñiện cực nguồn – máng, chiều dài kênh dẫn, đường kính CNT tường đơn, độ dày lớp ơxít cổng, nhiệt độ làm việc, ñiện áp cổng ñiện áp nguồn - Sử dụng phương pháp hàm Green không cân (NEGF) kết hợp mơ Matlab mơ họ đặc tính dịng CNTFET có xét đến tán xạ ñiện tử phonon chiều dài kênh dẫn giảm xuống 20 nm - Xây dựng phát triển biểu thức quan hệ dịng cho CNTFET đồng trục - Thiết kế đề xuất qui trình chế tạo CNTFET phẳng, bao gồm CNTFET cổng sau riêng biệt CNTFET cổng Luận án có cấu trúc xếp theo trình tự sau:  Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Transistor trường ống nanô carbon Chương 3: Thuật tốn hàm Green khơng cân (NEGF) mơ đặc trưng CNTFET đồng trục Chương 4: Kết mô Chương 5: ðề xuất thực nghiệm  Kết luận  Tài liệu tham khảo -5- Chương TỔNG QUAN 1.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO IC Năm 2009 dòng vi xử lý mang tên mã Clarkdale Intel (có tên thương hiệu Core i3 Core i5) ñược nhắc ñến nhiều ðây dịng sản phẩm sản xuất dây chuyền công nghệ 32 nm Intel vừa mắt Ngồi dịng sản phẩm này, Intel tiếp tục giới thiệu thêm nhiều CPU dựa tảng Westmere sử dụng công nghệ 32 nm Arrandale hay Gulftown Có thể nói, năm 2010 thời ñiểm cho dây chuyền 32 nm cất cánh Intel cho biết ñang lên kế hoạch ñẩy mạnh việc sản xuất chip 32 nm tạm dừng phát triển số dịng chip tích hợp dịng sản phẩm cơng nghệ 45 nm, với mục đích vượt mặt đối thủ AMD thời gian tới 50nm 10nm 20nm 35nm 30nm SiGE S/D SiGE S/D Khuynh Khuynh hướng Silic hướng Silic 5nm Vật liệu cổng k-Cao Chất - Si Dây nanơ Cổng kích S G D S III-V FET ống nanơ Carbon Hình 1.1 Tiến trình giảm nhỏ kích thước transistor Việc thu nhỏ kích thước linh kiện CMOS q trình cơng nghệ trở nên khó khăn nhiều tiếp cận công nghiệp 16 nm Sau thời kỳ thu nhỏ kích -6- thước CMOS truyền thống này, nhà chế tạo cần phải tiếp tục giảm kích thước transistor cách tích hợp linh kiện điện tử nanơ vào silic 1.2 PHÂN LOẠI LINH KIỆN ðIỆN TỬ NANÔ Các nghiên cứu gần đưa nhiều mơ hình linh kiện thang nanơmét có khả thay cho linh kiện CMOS thiết kế vi mạch như: ðiốt ñường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode, RTD), Transistor ñường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor, RTT), Transistor trường ống Nanô Carbon (Carbon Nanotube Filed Effect Transistor, CNTFET), Transistor ñơn ñiện tử (Single Electron Transistor, SET), Transistor ñơn nguyên tử (Single Atom Transistor), Transistor spin (Spin Transistor, ST), Transistor sắt từ (Ferromagnetic Transistor, FT)… LINH KIỆN ðIỆN TỬ NANƠ Transitor ống nanơ carbon (CNTFET) Linh kiện điện tử nanơ hiệu ứng lượng tử Linh kiện điện tử nanơ bán dẫn Linh kiện điện tử phân tử Linh kiện ñiện tử nguyên tử Chấm lượng tử (QD) Linh kiện đường hầm cộng hưởng ðíơt ñường hầm cộng hưởng (RTD) Linh kiện ñiện tử nanô hiệu ứng spin Linh kiện lai micro - nanô Transistor ñơn ñiện tử (SET) Transistor ñường hầm cộng hưởng (RTT) Hình Phân loại linh kiện điện tử nanơ Tất linh kiện ñều hoạt ñộng dựa hiệu ứng xuất thang nanômét chi phối học lượng tử ðặc ñiểm chung linh -7- kiện hình thành “đảo” nhỏ, điện tử bị giữ lại ðảo có vai trị tương tự kênh dẫn MOSFET Transistor trường ống nanô ứng cử viên đầy hứa hẹn thay transistor trường MOSFET tương lai tính chất hấp dẫn chúng như: kích thước nhỏ, tiêu hao lượng, tải dịng lớn, khả ñáp ứng tần số tốt mật ñộ tích hợp cao 1.3 NGHIÊN CỨU VỀ TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANƠ CARBON Các linh kiện sử dụng ống nanơ carbon (Carbon nanotube, CNT) nhiều năm qua ñã ñược nghiên cứu, mơ số chế tạo giới CNTFET hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng thu hút ý khả chế tạo chúng nhờ công nghệ chế tạo vi mạch hành CNTFET phẳng có cực cổng sau giới thiệu vào năm 1998 Tans [35] Năm 2002, S J Wind [28] giới thiệu cấu trúc CNTFET phẳng cổng trên, cấu trúc cho khả ñiều khiển tốt CNTFET cổng sau Thời gian gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mơ hình mơ khảo sát ảnh hưởng tham số lên họ ñặc trưng CNTFET ñồng trục Vì cấu trúc cho khả điều khiển tốt, dịng điện đáp ứng linh kiện loại cao Tỷ lệ dòng ON/OFF CNTFET cổng sau nằm khoảng 11500 ñến 17000 [24] Tần số ñáp ứng CNTFET ñược báo cáo vào năm 2009 ñạt ñến 26 GHz [36] Năm 2003, Hoenlein ñã ñề xuất cấu trúc CNTFET đồng trục thẳng đứng hình 3a Cấu trúc sử dụng ống CNT đơn tường có ñường kính nm, chiều dài 10 nm làm kênh dẫn kết nối ñiện cực nguồn ñiện cực máng kim loại Lớp oxit điện mơi bao quanh ống CNT có độ dày nm, điện cực cổng bao quanh lớp oxit cách ñiện Với cấu trúc tác giả ñề xuất cách kết nối transistor chip hình 3b, dự báo tần số ñáp ứng CNTFET cỡ THz mật ñộ tích hợp lên đến 1012 transistor cm2 -8- Hình 1.3 Cấu trúc CNTFET thẳng ñứng [11] Năm 2006, Leonardo xây dựng mơ hình CNTFET đồng trục, sử dụng phương trình Schrodinger để tính tốn số lượng điện tử lỗ trống chạy qua kênh dẫn, sau dùng phương trình Landauer để tính dịng điện chạy qua CNTFET đồng trục Tác giả tính tốn mơ ñược ñặc trưng I-V CNTFET thay ñổi giá trị điện áp cổng, dịng điện máng bão hịa tăng tăng giá trị ñiện áp cổng Tuy nhiên đường đặc trưng có độ dốc thấp, ñiều cho thấy ñộ dẫn CNTFET cấu trúc chưa cao [22] Hình 1.4 Mơ hình ñặc trưng I-V CNTFET ñồng trục [22] Năm 2007, Siyuranga O Koswatta cộng tính tốn mơ đặc trưng CNTFET đồng trục có xét ñến ảnh hưởng tán xạ -9- phonon sử dụng phương pháp hàm Green khơng cân (NEGF) [30] Nhóm tác giả sử dụng ống nanơ carbon ñơn tường (16,0), (19,0), (22,0) làm kênh dẫn Chiều dài kênh dẫn ñược khảo sát 20 nm, sử dụng HfO2 (k = 16) làm vật liệu điện mơi có bề dày lớp ơxit cổng nm Kết mơ cho thấy với điện áp cổng VG = 0,6 V dịng điện bão hịa có xét đến tán xạ phonon quang (OP) thấp khoảng 9% so với dịng chuyển dời đạn đạo (Ballistic) dịng điện bão hịa có xét đến tán xạ phonon âm (AP) thấp khoảng 7% so với dịng chuyển dời đạn đạo Hình 1.5 Cấu trúc đặc trưng CNTFET đồng trục có xét đến tán xạ [30] Năm 2009, Rasmita Sahoo and R R Mishra mơ họ ñặc trưng I-V CNTEFT ñồng trục thay ñổi đường kính ống CNT Nhóm tác giả sử dụng phần mềm mơ NanoHub để vẽ đặc trưng I-V CNTFET đồng trục với đường kính thay ñổi từ nm ñến nm Kết mô cho thấy đường kính tăng dịng điện Id bão hịa tăng theo [27] Nhóm tác giả tính tốn cho kết độ dẫn CNTFET cao khoảng lần so với Si-MOSFET tần số đáp ứng cao gấp đơi so với SiMOSFET - 10 - Hình 1.6 Khảo sát ảnh hưởng đường kính ống CNT lên đặc trưng I-V CNTFET ñồng trục [27] Năm 2010, Zoheir Kordrostami đưa mơ hình tương đương tín hiệu nhỏ CNTFET đồng trục xây dựng biểu thức tính tần số cắt linh kiện sau: = ( R S + R D )C 2π fT gd + (C gm g + C gs + C gd ) + gd ( R S + R D )( C gm g + C gs + C gd ) (1.1) Hình 1.7 Mơ hình CNTFET đồng trục mơ hình tương đương tín hiệu nhỏ [39] Tần số cắt tính gần sau: - 11 - fT = gm 2π C g + C gs + C gd (1.2) Thông thường tụ ký sinh Cgs Cgd có giá trị nhỏ so với Cg nên cho khơng, tần số cắt là: fT = gm 2π C g (1.3) 1.4 NHẬN XÉT Kích thước linh kiện CMOS liên tục ñược thu nhỏ từ năm 2003 (90 nm), năm 2005 (65 nm), năm 2007 (45 nm), năm 2009 (32 nm) tn theo định luật Moore tính từ năm 1972 Mật ñộ transistor chip tăng gấp ñôi sau mười tám tháng ñến hai năm Theo tiên đốn nhà khoa học cơng nghệ đến khoảng năm 2020, kích thước transistor chip đạt tới giới hạn vật lý (10 nm) số transitor chip đạt tới 1012 cm2 Việc tìm kiếm linh kiện có tính chất bứt phá ñể vượt qua giới hạn ñang ñược nhà nghiên cứu khoa học công nghệ quan tâm Những cơng trình nghiên cứu chế tạo CNTFET phẳng gần ñây, bao gồm CNTFET cổng sau CNTFET cổng dựa công nghệ chế tạo IC tiên tiến Các CNTFET ñồng trục ñược xây dựng dựa cấu trúc MOSFET cực cổng bao quanh MOSFET có nhiều cổng FinEFET [40, tr 117] Tuy nhiên cơng nghệ chế tạo CNTFET đồng trục thách thức lớn ñối với nhà nghiên cứu Các cơng trình nghiên cứu CNTFET ñồng trục cho ñến dừng lại khảo sát đặc tính Id-Vds kênh dẫn dài ( Lch > 20 nm) mà chưa xét ñến ñặc trưng linh kiện chiều dài kênh dẫn giảm xuống 20 nm Trong luận án này, tác giả việc khảo sát ảnh hưởng nhiệt ñộ, vật liệu ñiện môi, kim loại dùng làm ñiện cực nguồn- máng, kích thước ống nanơ carbon lên đặc trưng CNTFET ñồng trục có ý nghĩa quan trọng việc ñánh giá khả ñáp ứng CNTFET ñịnh hướng cho công nghệ chế tạo CNTFET tương lai - 89 - 5.3 PHÁT TRIỂN BIỂU THỨC QUAN HỆ I-V CHO CNTFET ðỒNG TRỤC Các đồ thị mơ đặc trưng cho CNTFET tính từ cơng thức dựa thuật tốn hàm Green khơng cân Dịng nguồn-máng tính theo biểu thức Landauer: I= 4e T ( E ) [ f S ( E ) − f D ( E )]dE h ∫ (5.1) Từ đồ thị tác giả giải thích theo biểu thức giải tích đề xuất xây dựng biểu thức giải tích CNTFET họ FET lai linh kiện ñiện tử nanô Với giá trị Vds nhỏ ñược xét cho linh kiện CNTFET (Vds , ñộ dẫn kênh ñược cho cơng thức: gd = W µ n Q 'n L (5.3) Với: µ n : gọi độ linh động ñiện tử Q 'n : gọi ñộ lớn điện tích lớp đảo đơn vị diện tích W : độ rộng kênh dẫn, đường kính ống CNT L : độ dài kênh dẫn, chiều dài ống CNT Mật độ điện tích lớp đảo hàm số tụ ơxit cổng, cổng dư giá trị ngưỡng Do đó, kết hợp biểu thức (5.2) (5.3), ta viết sau: Q 'n = C ox (V gs − VTN ) (5.4) Mật độ điện tích hàm số cổng, độ dẫn kênh bị biến điệu cổng Hình 5.3, cho ta thấy ñặc tuyến Id-Vds gồm ba vùng rõ rệt: vùng dòng Id biến thiên nhanh, gần ñường thẳng (vùng A); vùng Id biến thiên - 90 - chậm gần ñường cong (vùng B); vùng Id gần khơng thay đổi (vùng C) Hình 5.3 ðặc tuyến Id-Vd 3000K phân chia vùng A, B, C • Tại vùng A: Khi Vgs< VTN , dòng máng thấp; Vgs >VTN, mật ñộ ñiện tích ñảo tăng, làm tăng ñộ dẫn kênh Thế nguồn máng Vds áp vào lúc thấp, mật độ điện tích tương đối khơng ñổi dọc theo ñộ dài kênh Dựa vào biểu thức (5.1) (5.2), ta viết biểu thức dòng Id cho vùng A sau [3] : Id = W µ nCox (Vgs − VTN )Vds L Với Cox ñiện dung tụ ñiện cực cổng [41]: 2πεε Lch Cox = ln [(tox + rCNT ) / rCNT ] (5.5) - 91 - • Tại vùng B: Khi Vds tăng dần, sụt qua lớp ôxit cạnh chân máng giảm, nghĩa mật độ điện tích tạo gần máng giảm, ñộ dẫn kênh giảm Khi độ nghiêng đường cong Ids với Vds giảm Khi Vds tiếp tục tăng tới ñiểm mà sụt qua lớp ơxit chân máng VT, lúc độ dẫn máng khơng, nghĩa ñộ nghiêng ñường cong Id với Ids lúc khơng Ta viết: Vgs − Vds = VT (5.6a) Vds ( sat ) = V gs − VT (5.6b) Với Vds(sat) máng - nguồn tạo nên mật độ điện tích đảo không chân máng, nghĩa thời ñiểm ñộ nghiêng ñường cong Id với Vds khơng cịn • Tại vùng C: Khi Vds bắt đầu lớn giá trị Vds(sat), ñiểm kênh điện tích đảo zero, chuyển theo hướng chân nguồn Trong trường hợp ñiện tử ñi vào kênh nguồn ñi qua kênh theo hướng máng Sau điểm mà điện tích giảm tới khơng, điện tử bơm vào vùng khơng gian Ở chúng ñược quét ñiện trường tiếp xúc với máng Vùng xét ñặc tuyến Id -Vds ñược gọi vùng bão hịa Khi Vgs thay đổi, đường cong Ids tăng dần, mật độ điện tích tăng Lúc mật độ điện tích tính sau: Q 'n = C ox (V gs − VTN − Vds ) (5.7) ðộ dẫn lúc sau: gd = V W µC ox (V gs − VTN − ds ) L (5.8) - 92 - Theo đồ thị hình 5.3 ta thấy Ids tăng cách phi tuyến Vg tăng Khi dịng Id trở thành: V W µ C ox [(V gs − VTN − ds )]Vds L V2 W = µ C ox [(V gs − VTN )Vds − ds ] L W µ Cox [2(Vgs − VTN )Vds − Vds2 ] Id = 2L Id = ðặt : K n = (5.9) (5.10a) (5.10b) W C ox µ , ta định nghĩa thơng số dẫn Khi ñó : L I d = K n [2(V gs − VTN ) Vds − Vds2 ] (5.11) Giá trị Vds giá trị dịng đỉnh tìm thấy từ việc lấy ñạo hàm: ∂I d =0 ∂Vds (5.12) Dịng đỉnh xuất : Vds = V gs − VTN Giá trị Vds giá trị Vds(sat), điểm xuất bão hòa Khi Vds > Vds(sat), dòng máng Id lúc lý tưởng bão hòa Dòng Id vùng bão hịa tính sau: I d = K n [2(V gs − VTN ) Vds ( sat ) − Vds2 ( sat )] (5.13) Sử dụng Vds ( sat ) = V gs − VTN , biểu thức trở thành: I d = K n (V gs − VTN ) (5.14) Như vậy, ta thấy dòng Id bão hịa hàm bậc Vgs, Vgs tăng dịng máng Id tăng cách phi tuyến theo hệ số mũ α Với : (V gs − VTN ) α (5.15) Vì vậy, xác định chiều dài, chiều rộng kênh dẫn, ñộ linh ñộng, ñiện dung tụ Cox, ta tính ngưỡng dòng Id chạy qua nguồn máng - 93 - Mặt khác, ta sử dụng quan hệ Id-Vds ñể xác ñịnh giá trị thực nghiệm ñộ linh ñộng, ñây ñộ linh ñộng ñiện tử qua CNT Bởi theo thuật tốn hàm Green nói ta xây dựng mơ hình ma trận xác suất truyền, nên khơng xác định tìm ñược mối liên quan ñộ linh ñộng ñiện tử ñược ðộ linh ñộng ñặc trưng cho khả linh ñộng hạt dẫn ñiện ñiện trường Từ biểu thức (5.10a ), giá trị Vds nhỏ, ta viết lại sau: Id = W µ C ox (V gs − VTN ) Vds L (5.16) Dựa vào kết mơ Ta biết ngưỡng, ñộ dài, ñộ rộng kênh dẫn CNT, dịng Id v.v…Từ kiểm tra giá trị thực nghiệm độ linh động µ Từ biểu thức (5.14) dòng bão hòa Nếu lấy bậc ta có : I d ( sat ) = W µC ox [(V gs − VTN ) ] 2L (5.17) Với thơng số đo từ mơ ta tính ngưỡng VTN • ðộ dẫn: định nghĩa thay đổi dịng máng tương ứng với thay đổi cổng Ta có: gm = - ∂I d ∂V gs (5.18) Xét vùng khơng bão hịa Từ biểu thức (4.13b), ta có: gm = Hay: g m = ∂I d ∂ = ∂Vgs ∂Vgs W   µ Cox [2(Vgs − VTN )Vds − Vds ]  2L  W µ CoxVds L (5.19) (5.20) Như vậy, vùng khơng bão hịa, ta thấy độ dẫn tăng tuyến tính với Vds ñộc lập với Vg [10] - Xét vùng bão hịa Từ biểu thức (5.14), ta có: - 94 - g m ( sat ) = Hay: g m ( sat ) = ∂I d ∂ = ∂Vgs ∂Vgs W   µ Cox [(Vgs − VTN ) ]  2L  (5.21) (5.22) W µ Cox (Vgs − VTN ) L Như vậy, vùng bão hòa, ta thấy độ dẫn tăng tuyến tính với Vgs độc lập với Vds ðộ dẫn hàm biểu thị biến thiên dòng Id Từ biểu thức ñã dẫn cho thấy dòng Id tăng ñộ rộng kênh tăng Nó tăng độ dài kênh giảm độ dày cổng ơxít giảm Khi thiết kế CNTFET, người ta trọng nhiều ñến ñộ rộng, nghĩa đường kính ống CNT Dựa vào thơng số mơ hai vùng bão hịa khơng bão hịa, ta tính độ linh động hay độ dẫn linh kiện Tóm lại, biểu thức giải tích quan hệ dịng-thế linh kiện CNTFET mở rộng cho linh kiện FET lai kích thước nanơ tóm tắt bảng 5.1 Bảng 5.1 Mối liên hệ dòng Id-Vds biểu thức giải tích hai vùng hoạt động bão hịa khơng bão hịa cho CNTFET sau: Vị trí Vds - Dịng máng Id thiên áp vùng khơng bão hịa Vds < Vds (sat ) Dòng Id I d = K n [2(V gs − VTN ) Vds − Vds2 )] -Tại điểm bão hịa Vds ( sat ) = V gs − VTN - Dịng máng Id thiên áp vùng bão hịa: I d = K n (V gs − VTN ) Vds ≥ Vds (sat ) Với K n = W Cox µ L ðộ dẫn gm = W µCoxVds L g m ( sat ) = W µCox (Vgs − VTN ) L - 95 - KẾT LUẬN Transistor trường ống nanô carbon (CNTFET) ứng cử viên đầy hứa hẹn thay transistor trường MOSFET tương lai tính chất hấp dẫn chúng CNTFET bao gồm cấu trúc phẳng cấu trúc ñồng trục Trong luận án này, tác giả nghiên cứu mơ hình CNTFET đồng trục, dùng ống nanơ carbon đơn tường làm kênh dẫn CNTFET đồng trục có cực cổng hình trụ bao quanh ống CNT ðể mơ đặc tính I-V CNTFET đồng trục, tác giả dùng thuật tốn hàm Green khơng cân (NEGF) để tính tốn mật độ điện tử chạy kênh dẫn, kết hợp GUI Matlab để vẽ trình bày kết Ảnh hưởng thông số kim loại dùng làm ñiện cực máng-nguồn, chiều dài kênh dẫn, đường kính ống CNT, độ dày lớp cổng, vật liệu điện mơi dùng làm lớp ơxit cổng, nhiệt ñộ… lên ñặc trưng dòng CNTFET ñồng trục ñược khảo sát chi tiết Những kết thu ñược luận án ñược so sánh với cơng trình cơng bố cuối ñề xuất chế tạo CNTFET thực nghiệm Những kết khoa học luận án đạt được: Tác giả phát triển mơ hình CNTFET đồng trục sử dụng SWCNT bán dẫn làm kênh dẫn cho CNTFET thay cho kênh dẫn silic MOSFET truyền thống sử dụng kim loại quý : Au, Pt, Pd, Al làm điện cực nguồn máng, lớp ơxít cách điện chất điện mơi có số điện mơi cao : SiO2, Al2O3, HfO2, TiO2, ZrO2, SrTiO3, Si3N4 Xây dựng phần mềm mơ cho CNTFET đồng trục sử dụng phương pháp hàm Green không cân (NEGF) kết hợp mơ Matlab để tính tốn mơ biểu diễn 3D họ đặc trưng I-V linh kiện Tác giả ñã khảo sát tác ñộng nhiều yếu tố : kim loại dùng làm ñiện cực nguồn – máng, chiều dài kênh dẫn, đường kính ống CNT, độ dày lớp ơxít cổng, nhiệt ñộ làm việc, tán xạ phonon, ñiện áp cổng ñiện áp nguồn lên ñường ñặc trưng I-V CNTFET ñồng trục Phát triển biểu thức quan hệ I-V cho CNTFET ñồng trục - 96 - ðề xuất bước chế tạo CNTFET cổng sau có cực cổng riêng CNTFET cổng cho phép kết nối kênh dẫn phương pháp ñiện trường KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO - Thiết kế chế tạo CNTFET theo qui trình đề xuất - ðo thơng số đặc trưng CNTFET chế tạo ñược - Kiểm nghiệm kết mô - 97 - DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN [1] Dinh Sy Hien, Tran Tien Phuc, Nguyen Thi Luong, Le Hoang Minh, Pham Thanh Trung, Bui An Dong, Huynh Lam Thu Thao, Nguyen Van Le Thanh, Thi Tran Anh Tuan, Huynh Hoang Trung, Nguyen Thi Thanh Nhan, Dinh Viet Nga (2009), “Development of quantum device simulator, NEMO-VN1”, APCTP–ASEAN Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (AMSN08) IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series 187 (2009) 012088 doi:10.1088/1742-6596/187/1/012088 [2] Nguyen Thi Luong, Dinh Sy Hien (2010), “Role of scattering in coaxial CNTFET”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6, nhà xuất Khoa học tự nhiên công nghệ Hà Nội, trang (758-761) [3] Dinh Sy Hien, Nguyen Thi Luong, Le Hoang Minh (2010), “Updating quantum device simulator by using NEGF method”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6, nhà xuất Khoa học tự nhiên công nghệ Hà Nội, trang (866-869) [4] Dinh Sy Hien, Nguyen Thi Luong (2009), “The effect of scattering on current- voltage characteristics of coaxial CNTFET”, Proceedings of IWNA2009 workshop on Nanotechnology and Application, pp (325-328) [5] Dinh Sy Hien, Nguyen Thi Luong, Thi Tran Anh Tuan, Dinh Viet Nga (2009), “3D simulation of coaxial carbon nanotube field effect transistor”, APCTP–ASEAN Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (AMSN08) IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series 187 (2009) 012061doi:10.1088/1742-6596/187/1/012061 [6] ðinh Sỹ Hiền, Thi Trần Anh Tuấn, Nguyễn Thị Lưỡng (2010) , “Mô số đặc trưng transistor dùng ống nanơ carbon”, Tạp chí Phát triển khoa học Cơng nghệ, ðại học quốc gia Tp.HCM, số 13, trang (15-27) [7] Nguyễn Thị Lưỡng (2010), “Khảo sát ảnh hưởng kích thước ống nanơ carbon lên đặc trưng Transistor ống nanơ carbon đồng trục”, Tạp chí Khoa học - 98 - Giáo dục Kỹ thuật, số 14, trang (26-31) [8] Dinh Sy Hien, Nguyen Thi Luong, Dinh Viet Nga (2009), “Quantum Device Simulation- Emerging Nanodevices – NEMO-VN2”, Proceedings of International Symposium on Nano- Materials, technology and Applications, Hanoi, 14-16 October 2009, pp(55) [9] ðinh Sỹ Hiền, Nguyễn Thị Lưỡng, Lê Hoàng Minh, ðinh Việt Nga, Lê Minh Tuấn (2010), “Phát triển phần mềm mơ linh kiện điện tử nanơ bật: transistor ñơn ñiện tử (SET), transistor ống nanô (CNTFET), NEMO-VN2", ñề tài cấp năm 2010, mã số: B2010-18-28 - 99 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quang Thắng – Lịch sử ứng dụng CNT – ASTET CO, LTD, 8-2007 [2] ðinh Sỹ Hiền, ðiện tử Nanô: Linh kiện công nghệ, NXB ðại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2005 [3] ðinh Sỹ Hiền, Linh kiện bán dẫn, NXB ðại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2007 [4] Hồng Dũng, Nhập mơn lượng tử (Tập 1), NXB Giáo Dục, 1999 [5] Nguyễn Hoài Sơn, ðỗ Thanh Việt, Bùi Xuân Lâm, Ứng dụng MatLab tính tốn kỹ thuật, NXB ðại Học Quốc Gia TPHCM, 2000 [6] Vũ ðình Cự, Nguyễn Xuân Chánh, Cơng nghệ Nanơ: ðiều khiển đến phân tử ngun tử, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [7] Ali Javey, Jing Guo, Damon B Farmer, Qian Wang, Erhan Yenilmez, Gordon, Mark Lundstrom and Hongjie Dai, “Self-Aligned Ballistic Molecular Transistors and Electrically Parallel Nanotube Arrays”, Nano Lett., vol 4, no 7, pp 1319-1322, 2004 [8] Ali Javey, Ryan Tu, Damon B Farmer, Jing Guo, Roy G Gordon, and Hongjie Dai, “High Performance n-Type CarbonNanotube Field-Effect Transistors with Chemically Doped Contacts”, Nano Lett., vol 5, no.2, pp 345-348, 2005 [9] Bachthold et al., “Carbon nanotubes for eletronics”, Science, vol 294, pp 49-52, 2001 [10] Bin Shan, Kyeongjae Cho, “Ab initio study of Schottky barriers at metalNanotube contacts”, Physical Review B 70, 233405, 2004 [11] Hoenlein et al., “Carbon nanotubes for microelectronics: status and future prospects”, Materials Science and Engineering, vol 23, no 8, pp 663-669, 2003 [12] Homer Ried, “ Simulating Quantum Transport in Carbon Nanotube FETs”, www.homerreid.ath.cx:81/research/memos/cntfet.pdf - 100 - [13] J Kong, E Yenilmez, T W Tombler, W Kim, H J Dai, R B Laughlin, L Liu, C S Jayanthi, and S Y Wu, “Quantum interference and ballistic transmission in nanotube electron waveguides”, Physical Review Letters, vol 87, pp 106801, 2001 [14] Jing Guo and Mark Lundstrom, Device Simulation of SWNT-FETs, Carbon Nanotube Electronics, Springer, 2009 [15] J Guo, Javey,Q Wang, M Lundstrom and H Dai, "Ballistic Carbon Nanotube Field-Effect Transistors," Nature, vol 424, p 654, 2003 [16] J Guo, M Lundstrom and S Datta, "Performance Projections for Ballistic Carbon Nanotube Field-Effect Transistors," Applied Physics Letters, vol 80, no 17, p 3192, 2002 [17] J Guo, M Lundstrom, "On the Role of Phonon Scattering in Carbon Nanotube Transistors," Applied Physics Letters, 86, 193103, 2005 [18] Jing Guo, Muhammad A Alam, Youngki Yoon, “Theoretical investigation on photoconductivity of single intrinsic carbon nanotubes”, Appl Phys Lett Vol 88, 133111, 2006 [19] Jing Guo, S Datta, M Lundstrom, and M P Anantram, “Towards multiscale modeling of carbon nanotube transistors”, Int J Multiscale Comp Eng., vol.2, pp.60, 2004 [20] Jing Guo, Sebastien Goasguen, Mark Lundstrom, Supriyo Datta, Metal insulator–semiconductor electrostatics of carbon Nanotubes, Electrical Engineering Building, Purdue University, West Lafayette, Indiana 47907, 2002 [21] Julia Van Meter Cline, “Characterization of Schottky Barrier Carbon Nanotube Transistors and their Applications to Digital Circuit Design”, Brown University, 2002 [22] Leonardo de Camargo e Castro, Modeling of Carbon Nanotube Field-Effect Transistors, thesis for Degree of Doctor of Philosophy in The Faculty of Graduate Studies, The University of British Columbia , July 2006 - 101 - [23] M.Meyyappan, Carbon Nanotube science and applications, CRC Press LLC, 2005 [24] R Thomas Weit et al, “Highly Reliable Carbon Nanotube Transistors with Patterned Gates and Molecular Gate Dielectric”, Nano Lett, vol 9, no 4, pp 1335-1340, 2009 Rahmat B Sanudin, “Characterisation of carbon nanotube field-effect [25] transistor”, University technology Malaysia, 11-2005 [26] Ramesh Venugopal, Modeling quantum transport in nanoscale transistors, thesis for Degree of Doctor of Philosophy, Purdue University, USA, 2003 [27] Rasmita Sahoo and R R Mishra, “Simulations of Carbon Nanotube Field Effect Transistors”, International Journal of Electronic Engineering Research, vol 1, no.2 , pp.117–125, 2009 [28] S J Wind, J Appenzeller, R Martel, V Derycke, and Ph Avouris, “Vertical scaling of carbon nanotube feild-effect transistors using top gate electrodes," Appl Phys.Lett., vol 80, p 3817-3819, 2002 [29] Shengdong Li, Carbon Nanotube High Frequency Devices, Thesis for the degree of Master of Science in Electrical and Computer Engineering, University of California Irvine, 2004 [30] Siyuranga O Koswatta et al, “Nonequilibrium Green’s Function Treatment of Phonon Scattering in Carbon-Nanotube Transistors”, IEEE , vol 54, no 9, 2007 [31] Supriyo Datta, “Nanoscale device modeling: the Green’s function method”, Superlattices and Microstructures, vol 28, no 4, 2000 [32] Supriyo Datta, Quantum Transport: Atom to Transistor, Cambridge, U.K: Cambridge Univ Press, 2005 [33] T Brintlinger, B.M Kim, E Cobas, and M S Fuhrer, Gate-Field-Induced Schottky Barrier Lowering in a Nanotube Field-Effect Transistor, University of Maryland, College Park, MD 20742-4111, USA, 2005 [34] T Durkop, S A Getty, E Cobas, and M S Fuhrer, "Extraordinary mobility - 102 - in semiconducting carbon nanotubes," Nano Letters, vol 4, no 1, pp 35-39, 2004 [35] Tans et al., “Room – temperature transistor based on a single wall carbon nanotube”, Nature, vol 393, pp 49-52, 1998 [36] The International Technology Roadmap for Semiconductor, Emerging Research Devices, 2009 edition [37] Vasili Perebeinos, Slava Rotkin, Alexey G Petrov, and Phaedon Avouris, “The Effects of Substrate Phonon Mode Scattering on Transport in Carbon Nanotubes”, IBM Research Division, T J Watson Research Center, NY, USA, 2008 [38] Yongqiang Xue and Mark A Ratner, Scaling analysis of electron transport through metal-semiconducting carbon nanotube interfaces: I Evolution from the molecular limit to the bulk limit, Northwestern University, Evanston, USA, 2008 [39] Zoheir Kodrostami and Mohammad Hossein Sheinkhi, “Fundamental Physical Aspects of Carbon Nanotube Transistors”, Intech: Carbon Nanotube, pp 169-186, 2010 [40] ðinh Sỹ Hiền, Công nghệ VLSI, NXB ðại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2010 [41] Hoenlein et al., “Carbon nanotube for microelectronics: Status and future prospects”, Materials Science and Engineering, vol 23, no 8, pp 663-669, 2003 [42] Rasmita Sahoo et al, “Carbon Nanotube Field Effect Transistor: Basic Characterization and Effect of High Dielectric Material”, International Journal of Recent trends in Engineering, vol 2, no.7, 2009 [43] Dinh Sy Hien, Nguyen Thi Luong, Thi Tran Anh Tuan, Dinh Viet Nga “Modeling of planar carbon nanotube field effect transistor and three dimensional simulations of current-voltage characteristics”, Proceedings of APCTP-ASEAN workshop on Advanced Materials Sciences and - 103 - Nanotechnology, Science and Technics Publishing House, pp (469-475), 2008 [44] Dinh Sy Hien, Nguyen Thi Luong, Thi Tran Anh Tuan, Dinh Viet Nga, “3D simulation of coaxial carbon nanotube field effect transistor”, Proceedings of APCTP-ASEAN workshop on Advanced Materials Sciences and Nanotechnology, Science and Technics Publishing House, pp (642-649), 2008 [45] Dinh Sy Hien, Dinh Viet Nga, Nguyen Thi Luong, “Drain current degradation of Planar CNTFET due to scattering”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6, nhà xuất tự nhiên công nghệ Hà Nội, trang (862- 865), 2010 [46] Dinh Sy Hien, Dinh Viet Nga,Nguyen Thi Luong , “Influence of scattering on drain current in planar CNTFET ”, Proceedings of IWNA2009 workshop on Nanotechnology and Application, pp (329-332), 2009 [47] Dinh Sy Hien, Nguyen Thi Luong, Tran Tien Phuc, Le Hoang Minh, Pham Thanh Trung, Bui An Dong, Huynh Lam Thu Thao, Nguyen Van Le Thanh, Thi Tran Anh Tuan, Huynh Hoang Trung, Nguyen Thi Thanh Nhan, Dinh Viet Nga, “Development of quantum device simulator, NEMO-VN1”, Proceedings of APCTP-ASEAN workshop on Advanced Materials Sciences and Nanotechnology, Science and Technics Publishing House, pp (10701079), 2008 [48] Dinh Sy Hien, Nguyen Thi Luong, Thi Tran Anh Tuan, Dinh Viet Nga, “Modeling of planar carbon nanotube field effect transistor and three dimensional simulations of current-voltage characteristics”, APCTP– ASEAN Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (AMSN08) IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series 187 012049 doi:10.1088/1742-6596/187/1/012049, 2009 ... nghiên cứu CNTFET ñồng trục Cho nên tác giả chọn đề tài “Mơ transistor ống nanơ carbon đồng trục? ?? để làm luận án tiến sĩ Vì ñề tài có ý nghĩa thực tiễn cao tình hình Mục tiêu luận án: - Xây dựng mơ... Tunneling Diode, RTD), Transistor ñường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor, RTT), Transistor trường ống Nanô Carbon (Carbon Nanotube Filed Effect Transistor, CNTFET), Transistor ñơn ñiện... cổng Luận án có cấu trúc xếp theo trình tự sau:  Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Transistor trường ống nanô carbon Chương 3: Thuật tốn hàm Green khơng cân (NEGF) mơ đặc trưng CNTFET đồng trục