Mô phỏng transistor ống nano carbon đồng trục

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN THỊ LƯỠNG MÔ PHỎNG TRANSISTOR ỐNG NANÔ CARBON ĐỒNG TRỤC Chuyên ngành:Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 62.44.03.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn: PGS.TS. Đinh Sỹ Hiền Tp. Hồ Chí Minh - 2010 iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các bảng vi Danh mục các hình vẽ vii Danh mục các kí tự và từ viết tắt xii MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Xu hướng phát triển công nghệ chế tạo IC 5 1.2. Phân loại linh kiện điện tử nanô 6 1.3. Nghiên cứu về transistor trường ống nanô carbon ……………………… 7 1.4. Nhận xét 11 Chương 2: TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANÔ CARBON 2.1. Ống nanô carbon 12 2.1.1. Giới thiệu 12 2.1.2. Cấu trúc nguyên tử 13 2.1.3. Công nghệ chế tạo CNT 18 2.2. Transistor trường ống nanô carbon (CNTFET) 19 2.2.1. Cấu trúc của CNTFET 19 2.2.2. Hoạt động của CNTFET 23 2.2.3. So sánh MOS-CNTFET với Si-MOSFET 26 2.2.4. Một số ứng dụng CNTFET 27 iv 2.3. Nhận xét 31 Chương 3: THUẬT TOÁN HÀM GREEN KHÔNG CÂN BẰNG TRONG MÔ PHỎNG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET ĐỒNG TRỤC 3.1. Thuật toán hàm Green không cân bằng (NEGF) 32 3.1.1. Giới thiệu về thuật toán NEGF 32 3.1.2. Dòng chảy qua một mức năng lượng rời rạc 35 3.1.3. Tác động của điện thế ngoài 40 3.1.4. Điện dung lượng tử hóa 46 3.1.5. Những phương trình NEGF cho nhiều mức năng lượng 49 3.2. Xây dựng thuật toán NEGF cho linh kiện CNTFET 51 3.2.1. Hàm Green không cân bằng (NEGF) 51 3.2.2. Đặc trưng linh kiện ở giới hạn đạn đạo 52 3.2.3. Thuật toán NEGF cho tán xạ phonon trong CNTFET 54 3.2.4. Tán xạ điện tử - phonon 58 3.3. Mô hình toán học sử dụng trong mô phỏng CNTFET đồng trục 61 3.4. Giải thuật mô phỏng đặc trưng I-V của CNTFET đồng trục 63 3.5. Thuật toán mô phỏng đặc trưng dòng – thế dùng Matlab 65 3.6. Nhận xét 67 Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1. Mô phỏng biểu diễn hai chiều 69 4.1.1. Xét ảnh hưởng của kim lọai dùng làm điện cực 69 4.1.2. Xét ảnh của vật liệu điện môi làm ôxít cổng 71 4.1.3. Xét ảnh hưởng của đường kính ống CNT 72 4.1.4. Xét ảnh hưởng của thế cổng V GS 74 4.2. Mô phỏng biểu diễn ba chiều 75 4.2.1. Xét ảnh hưởng của chiều dài kênh dẫn 75 4.2.2. Xét ảnh hưởng của nhiệt độ 76 4.2.3. Xét ảnh hưởng của bề dày lớp ôxít cổng 77 v 4.2.4. Xét ảnh hưởng điện áp cổng V GS 78 4.3. Mô phỏng đặc trưng CNTFET có tán xạ phonon 79 4.4. So sánh kết quả nghiên cứu với một số công trình đã công bố 80 4.5. Nhận xét 82 Chương 5: ĐỀ XUẤT THỰC NGHIỆM 5.1. Đề xuất chế tạo CNTFET loại N cổng sau 85 5.2. Đề xuất chế tạo CNTFET loại N cổng trên 87 5.3. Phát triển biểu thức quan hệ I-V cho CNTFET đồng trục 89 KẾT LUẬN 95 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 96 Danh mục công trình sử dụng trong luận án 97 Tài liệu tham khảo 99 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Mô tả Trang Bảng 2.1 So sánh một số thông số đặc trưng quan trọng của CNTFET với hai loại Si-MOSFET hiện đại 27 Bảng 4.1 Bảng 4.1. Độ cao rào thế tương ứng với các kim loại dùng làm điện cực 69 Bảng 4.2 Bảng 4.2. Bảng thông số vật ôxít liệu điện môi 71 Bảng 4.3 Bảng 4.3.Thông số một số ống nanô carbon đơn tường được sử dụng mô phỏng 73 Bảng 5.1 Mối liên hệ dòng thế I d -V d trong biểu thức giải tích ở hai vùng hoạt động bão hòa và không bão hòa cho CNTFET 94 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Chú thích Trang Hình 1.1 Tiến trình giảm nhỏ kích thước của transistor 5 Hình 1.2 Phân loại linh kiện điện tử nanô 6 Hình 1.3 Cấu trúc CNTFET thẳng đứng 8 Hình 1.4 Mô hình và đặc trưng I-V của CNTFET đồng trục 8 Hình 1.5 Cấu trúc và đặc trưng của CNTFET đồng trục có xét đến tán xạ 9 Hình 1. 6 Khảo sát ảnh hưởng của đường kính ống CNT lên đặc trưng I-V của CNTFET đồng trục 10 Hình 1.7 Mô hình CNTFET đ ồng trụ c và mô hình t ương đương tín hiệu nhỏ 10 Hình 2.1 Sự sắp xếp các orbital lớp graphen  cuộn tròn thành CNT 13 Hình 2.2 a) Định dạng của ống nanô carbon từ lá graphen; b) các cấu trúc ống nanô carbon; c) phân tử fullerene (C60) 14 Hình 2.3 Định dạng của CNT đơn tường từ tấm graphen 15 Hình 2.4 Định nghĩa vectơ trong mạng lục giác. Mắt lưới khi chưa được cuộn (A) và cấu trúc ống nanô (16,0) hình thành sau khi cuộn (B) 15 Hình 2.5 Cấu trúc ống nanô carbon với những chỉ số (n, m) khác nhau 16 Hình 2.6 Hình ảnh minh họa và đặc trưng của một CNTFET cổng sau 19 Hình 2.7 Hình ảnh minh hoạ cấu trúc họ đặc trưng của CNTFET cổng trên 20 Hình 2.8 Ảnh AFM và sơ đồ mặt cắt ngang của CNT n-FET. SWNT 21 viii (d  1.5 nm) có chiều dài kênh L S/D _150 nm giữa hai cực nguồn/máng Pd. Lớp điện môi cổng HfO 2 dày t OX = 8 nm. Đặc trưng dòng máng của CNTFET phẳng mô tả sự dẫn điện lưỡng cực được mô tả ở hình cuối Hình 2.9 Hình ảnh minh hoạ cấu trúc CNTFET thẳng đứng 22 Hình 2.10 Minh họa sơ đồ khối của một SB-CNTFET 23 Hình 2.11 Sơ đồ khối của một MOS-CNTFET 23 Hình 2.12 Minh hoạ dải năng lượng của SB-CNTFET trạng thái ON và OFF 24 Hình 2.13 Minh họa sơ đồ khối của một SB-CNTFET với ống nanô cacbon được gắn trực tiếp đến cực nguồn và máng bằng kim loại 25 Hình 2.14 Hoạt động của một CNTFET rào Schottky (SB-CNTFET) 28 Hình 2.15 Cổng đảo CNTFET bù nội phân tử được làm bằng một CNTFET loại p và một CNTFET loại n nối tiếp 29 Hình 2.16 Đường đặc trưng vào ra của một cổng đảo dùng CNTFET 29 Hình 2.17 Đặc trưng vào ra của của cổng NOR 30 Hình 2.18 Kết hợp số lẻ các cổng đảo và dẫn ngõ ra ngược lại ngõ vào thu được mạch dao động vòng 30 Hình 3.1 Mô hình NEGF cho Transistor dạng thước nanô 33 Hình 3.2 Mô hình phương pháp “Tự tương thích” 34 Hình 3.3 Mô hình vận chuyển điện tử trong kênh dẫn 37 Hình 3.4 Dòng của những điện tử vào trong và ra khỏi kênh dẫn một mức năng lượng  tại điện cực nguồn S và điện cực máng D 37 Hình 3.5 Sự hình thành dòng điện qua kênh dẫn với một mức năng lượng  39 Hình 3.6 Mô hình transistor một mức trong trạng thái cân bằng 41 Hình 3.7 Khi điện thế kênh dẫn nằm giữa điện thế điện cực nguồn S 41 ix và điện cực máng D Hình 3.8 Mức năng lượng trong kênh dẫn dịch chuyển theo điện thế áp vào điện cực cổng và không bị ảnh hưởng bởi điện thế điện cực máng D 42 Hình 3.9 Mô hình điện dung đơn giản cho thế Laplace (U L ) của vùng tích cực đáp ứng lại điện thế cực cổng G và điện thế cực máng D được áp vào từ bên ngoài 43 Hình 3.10 Quá trình lặp cho việc tính toán số điện tử N và điện thế U trong phương pháp “self – consistent” 44 Hình 3.11 Điện thế U hiện thời trong kênh dẫn được điều khiển bởi điện thế cực cổng G, điện thế cực máng D và điện thế cực nguồn S thông qua ba tụ điện 47 Hình 3.12 Sự truyền dẫn loại n và loại p phụ thuộc vào thế điện hóa nằm trên mức hay dưới mức của mật độ trang thái DOS 49 Hình 3.13 Mô hình ma trận chung dựa trên phương pháp NEGF nhiều mức năng lượng. tiếp xúc ‘S’ diễn tả quá trình tán xạ 50 Hình 3.14 Mô hình NEGF có tán xạ phonon và Hamilton trong không gian chuẩn 55 Hình 3.15 Cấu trúc vòng A, B trong CNT 56 Hình 3.16 Sơ đồ tán xạ phonon trong ống nanô carbon 59 Hình 3.17 Mô hình CNTFET đồng trục. (a) mô hình vật lý, (b) mô hình toán học 61 Hình 3.18 Sơ đồ thể hiện cho thuật toán lặp giữa thuật giải NEGF và Poisson 63 Hình 3.19 Cấu trúc tiếp xúc của ống CNT với hai mức Fermi khác nhau của nguồn-máng. Khi có sự chênh lệch giữa hai mức Fermi sẽ xuất hiện dòng điện tử chuyển dời qua CNT 63 Hình 3.20 Sơ đồ thuật toán mô phỏng đặc trưng I-V của CNTFET 64 x đồng trục trong chương trình MatLab Hình 3.21 Hộp thoại báo lỗi nhập sai giá trị khi khai báo thông số cho CNTFET đồng trục 65 Hình 4.1 Cửa sổ chính của chương trình mô phỏng CNTFET đồng trục 68 Hình 4.2 Đặc tuyến I d -V ds với vật liệu nguồn – máng là Au, Pt, Pd, thế cổng V g = 0,5 V, nhiệt độ là 300 0 K, vật liệu điện môi là Al 2 O 3 (K = 3) 70 Hình 4.3 Đặc tuyến I d -V ds với vật liệu nguồn – máng là Au, thế cổng V g = 0,4 V; nhiệt độ là 300 0 K; vật liệu điện môi lần lược là Al 2 O 3 (K = 3), HfO 2 (K = 20) và ZrO 2 (K = 25) 72 Hình 4.4 (a) Đặc tuyến I d -V ds với vật liệu nguồn – máng là Au; thế cổng V g = 0,4 V; nhiệt độ là 300 0 K, đường kính ống lần lược là 1 nm; 1,4 nm và 2 nm, (b) Kết quả mô phỏng được Rasmita Sahoo and R. R. Mishra công bố 73 Hình 4.5 (a) Ảnh hưởng của điện thế cổng lên đặc trưng dòng thế máng của CNTFET, (b) họ đường cong I D -V DS tương ứng với các giá trị áp cổng V GS của một MOSFET [32], (c) đặc trưng I D -V DS của CNTFET đồng trục được công bố bởi Leonardo, (d) đặc trưng I D -V DS của CNTFET đồng trục được công bố bởi Rasmita Sahoo [42] 74 Hình 4.6 Đặc trưng dòng thế máng trong mô phỏng 3D biểu thị sự phụ thuộc của dòng máng bão hòa vào chiều dài kênh dẫn 75 Hình 4.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc trưng dòng thế máng của CNTFET đồng trục trong mô phỏng biểu diễn 3D.(Nhiệt độ khảo sát từ 250 o K đến 350 o K) 76 Hình 4.8 Sư phụ thuộc của dòng máng vào độ dày lớp ôxít cổng 77 Hình 4.9 (a) Họ đường cong I d , V ds ,V gs biểu diễn không gian 3D, (b) đặc trưng I D -V GS của một MOSFET truyền thống 78 xi Hình 4.10 So sánh đặc trưng I d –V ds của CNTFET đồng trục khi có xét đến tán xạ phonon quang (OP) với đặc trưng trong vận chuyển đạn đạo 79 Hình 4.11 So sánh đặc trưng I-V của CNTFET đồng trục với kết quả của Rasmita Sahoo 80 Hình 4.12 So sánh đặc trưng I-V của CNTFET đồng trục với kết quả của Siyuranga 81 Hình 5.1 Qui trình chế tạo CNTFET cổng sau 86 Hình 5.2 Qui trình chế tạo CNTFET cổng trên 88 Hình 5.3 Đặc tuyến I d -V d ở 300 0 K được phân chia 3 vùng A,B, C 90 [...]... sát và mô phỏng Việc nghiên cứu CNTFET đồng trục theo hướng thực nghiệm chưa thể thực hiện được trong điều kiện hiện nay Trong khi đó mô phỏng là phương pháp nghiên cứu cho ra kết quả đáng tin cậy và hoàn toàn thực hiện được Kết quả mô phỏng sẽ định hướng cho chế tạo và thực nghiệm Do đó, đây là phương pháp phù hợp để nghiên cứu CNTFET đồng trục Cho nên tác giả đã chọn đề tài Mô phỏng transistor ống. .. đã đưa ra nhiều mô hình linh kiện thang nanômét có khả năng thay thế cho linh kiện CMOS trong thiết kế vi mạch như: Điốt đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode, RTD), Transistor đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor, RTT), Transistor trường ống Nanô Carbon (Carbon Nanotube Filed Effect Transistor, CNTFET), Transistor đơn điện tử (Single Electron Transistor, SET), Transistor đơn... CNTFET đồng trục có xét đến tán xạ [30] Năm 2009, Rasmita Sahoo and R R Mishra cũng đã mô phỏng họ đặc trưng I-V của CNTEFT đồng trục khi thay đổi đường kính ống CNT Nhóm tác giả này đã sử dụng phần mềm mô phỏng của NanoHub để vẽ đặc trưng I-V của CNTFET đồng trục với đường kính thay đổi từ 2 nm đến 5 nm Kết quả mô phỏng cho thấy khi đường kính tăng dòng điện Id bão hòa cũng tăng theo [27] Nhóm tác giả... nanô carbon đồng trục để làm luận án tiến sĩ Vì đề tài này có ý nghĩa thực tiễn rất cao trong tình hình hiện nay Mục tiêu của luận án: - Xây dựng mô hình CNTFET cấu trúc đồng trục sử dụng ống nanô carbon đơn tường bán dẫn làm kênh dẫn thay cho kênh dẫn silic của MOSFET truyền thống Sử dụng các kim loại quý : Au, Pt, Pd, Al làm điện cực nguồn và máng, lớp ôxít -4- cách điện là những chất điện môi có... ảnh hưởng của đường kính ống CNT lên đặc trưng I-V của CNTFET đồng trục [27] Năm 2010, Zoheir Kordrostami đã đưa ra mô hình tương đương tín hiệu nhỏ của CNTFET đồng trục và xây dựng biểu thức tính tần số cắt của linh kiện này như sau: 1  ( R S  R D )C 2 fT gd  1 (C gm g  C gs  C gd )  gd ( R S  R D )( C gm g  C gs  C gd ) (1.1) Hình 1.7 Mô hình CNTFET đồng trục và mô hình tương đương tín hiệu... giảm xuống dưới 20 nm Trong luận án này, tác giả sẽ việc khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, vật liệu điện môi, kim loại dùng làm điện cực nguồn- máng, kích thước ống nanô carbon lên đặc trưng của CNTFET đồng trục có ý nghĩa rất quan trọng trong việc đánh giá khả năng đáp ứng của CNTFET và định hướng cho công nghệ chế tạo CNTFET trong tương lai - 12 - Chương 2 TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANÔ CARBON 2.1 ỐNG NANÔ... đơn tường và CNT đa tường Ống nanô carbon đơn tường (Single Walled Nanotube SWNT), đường kính tối đa khoảng từ 1 nm – 3 nm, chiều dài khoảng 50 nm – 10 m Đối với ống nanô carbon đa tường (Multi Walled Nanotube- MWNT), đường kính cho phép đến trên 25 nm và chiều dài lên đến hàng trăm m - 14 - Hình 2.2 a) Định dạng của ống nanô carbon từ lá graphen; b) các cấu trúc ống nanô carbon; c) phân tử fullerene... riêng biệt và CNTFET cổng trên Luận án có cấu trúc được sắp xếp theo trình tự như sau:  Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Transistor trường ống nanô carbon Chương 3: Thuật toán hàm Green không cân bằng (NEGF) trong mô phỏng các đặc trưng của CNTFET đồng trục Chương 4: Kết quả mô phỏng Chương 5: Đề xuất thực nghiệm  Kết luận  Tài liệu tham khảo -5- Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ... hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor, RTT), transistor trường ống nanô carbon (Carbon Nanotube -3- Field Effect Transistor, CNTFET), transistor đơn điện 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 mới này đã và đang được nghiên cứu trong các phòng thí... MOSFET Transistor trường ống nanô là một trong các ứng cử viên đầy hứa hẹn có thể thay thế các transistor trường MOSFET trong tương lai vì những tính chất hấp dẫn của chúng như: kích thước nhỏ, ít tiêu hao năng lượng, tải được dòng lớn, khả năng đáp ứng tần số tốt và mật độ tích hợp cao 1.3 NGHIÊN CỨU VỀ TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANÔ CARBON Các linh kiện sử dụng ống nanô carbon (Carbon nanotube, CNT) trong