Mô phỏng transistor ống nanô carbon đồng trục

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN THỊ LƯỠNG MÔ PHỎNG TRANSISTOR ỐNG NANÔ CARBON ðỒNG TRỤC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ TP Hồ Chí Minh - 2010 ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN THỊ LƯỠNG MÔ PHỎNG TRANSISTOR ỐNG NANÔ CARBON ðỒNG TRỤC Chuyên ngành:Vật lý vô tuyến ñiện tử Mã số: 62.44.03.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn: PGS.TS ðinh Sỹ Hiền Tp Hồ Chí Minh - 2010 i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây công trình nghiên cứu riêng Kết nêu luận án trung thực không trùng lặp với công trình ñã công bố nước thuộc lĩnh vực nghiên cứu Tác giả Nguyễn Thị Lưỡng LỜI CẢM ƠN Luận án công trình khoa học, thuộc lĩnh vực linh kiện ñiện tử nanô, kết nỗ lực, phấn ñấu mà thân có ñược nhiều năm học tập, giảng dạy nghiên cứu Lời ñầu tiên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến PGS.TS ðinh Sỹ Hiền, người ñã tận tình hướng dẫn, ñịnh hướng, ñộng viên giúp ñỡ suốt trình thực luận án Tôi xin chân thành tỏ lòng biết ơn ñến Quý thầy giáo, cô giáo Khoa ðiện Tử- Viễn Thông, Phòng Quản lý nghiên cứu Khoa học ðào tạo Sau ðại học Trường ðại học Khoa học Tự nhiên ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho trình học tập thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS ðặng Mậu Chiến cán kỹ thuật phòng thí nghiệm công nghệ nanô ðại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh ñã tạo ñiều kiện giúp ñỡ tiếp cận với thiết bị chế tạo CNTFET Xin cảm ơn BGH, thầy cô khoa ðiện – ðiện tử trường ðại học Sư phạm kỹ thuật Tp.HCM ñồng nghiệp, bạn bè gần xa ñộng viên giúp ñỡ suốt thời gian thực luận án Sau cùng, xin cảm ơn gia ñình tôi, ba mẹ anh chị em ñặc biệt chồng gái ñã quan tâm, ñộng viên, giúp ñỡ lúc khó khăn Với lòng biết ơn, xin khắc ghi! Tác giả Nguyễn Thị Lưỡng iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam ñoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục bảng vi Danh mục hình vẽ vii Danh mục kí tự từ viết tắt .xii MỞ ðẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Xu hướng phát triển công nghệ chế tạo IC 1.2 Phân loại linh kiện ñiện tử nanô .6 1.3 Nghiên cứu transistor trường ống nanô carbon ……………………… 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 CNTFET 19 2.2.2 Hoạt ñộng 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 ðẶC TRƯNG CỦA CNTFET ðỒNG TRỤC 3.1 Thuật toán hàm Green không cân (NEGF) 32 3.1.1 Giới thiệu thuật toán NEGF 32 3.1.2 Dòng chảy qua mức lượng rời rạc 35 3.1.3 Tác ñộng ñiện 40 3.1.4 ðiện dung lượng tử hóa 46 3.1.5 Những phương trình NEGF cho nhiều mức lượng 49 3.2 Xây dựng thuật toán NEGF cho linh kiện CNTFET 51 3.2.1 Hàm Green không cân (NEGF) 51 3.2.2 ðặc trưng linh kiện giới hạn ñạn ñạo 52 3.2.3 Thuật toán NEGF cho tán xạ phonon CNTFET 54 3.2.4 Tán xạ ñiện tử - phonon 58 3.3 Mô hình toán học sử dụng mô CNTFET ñồng trục 61 3.4 Giải thuật mô ñặc trưng I-V CNTFET ñồng trục 63 3.5 Thuật toán mô ñặc trưng dòng – dùng Matlab 65 3.6 Nhận xét 67 Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Mô biểu diễn hai chiều 69 4.1.1 Xét ảnh hưởng kim lọai dùng làm ñiện cực 69 4.1.2 Xét ảnh vật liệu ñiện môi làm ôxít cổng 71 4.1.3 Xét ảnh hưởng ñường kính ống CNT 72 4.1.4 Xét ảnh hưởng cổng VGS 74 4.2 Mô biểu diễn ba chiều 75 4.2.1 Xét ảnh hưởng chiều dài kênh dẫn 75 4.2.2 Xét ảnh hưởng nhiệt ñộ 76 4.2.3 Xét ảnh hưởng bề dày lớp ôxít cổng 77 v 4.2.4 Xét ảnh hưởng ñiện áp cổng VGS 78 4.3 Mô ñặc trưng CNTFET có tán xạ phonon 79 4.4 So sánh kết nghiên cứu với số công trình ñã công bố 80 4.5 Nhận xét 82 Chương 5: ðỀ XUẤT THỰC NGHIỆM 5.1 ðề xuất chế tạo CNTFET loại N cổng sau 85 5.2 ðề xuất chế tạo CNTFET loại N cổng 87 5.3 Phát triển biểu thức quan hệ I-V cho CNTFET ñồng trục 89 KẾT LUẬN 95 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 96 Danh mục công trình sử dụng luận án 97 Tài liệu tham khảo 99 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Mô tả Trang Bảng 2.1 So sánh số thông số ñặc trưng quan trọng 27 CNTFET với hai loại Si-MOSFET ñại Bảng 4.1 Bảng 4.1 ðộ cao rào tương ứng với kim loại 69 dùng làm ñiện cực Bảng 4.2 Bảng 4.2 Bảng thông số vật ôxít liệu ñiện môi 71 Bảng 4.3 Bảng 4.3.Thông số số ống nanô carbon ñơn 73 tường ñược sử dụng mô Bảng 5.1 Mối liên hệ dòng Id-Vd biểu thức giải tích hai vùng hoạt ñộng bão hòa 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 transistor Hình 1.2 Phân loại linh kiện ñiện tử nanô Hình 1.3 Cấu trúc CNTFET thẳng ñứng Hình 1.4 Mô hình ñặc trưng I-V CNTFET ñồng trục Hình 1.5 Cấu trúc ñặc trưng CNTFET ñồng trục có xét ñến tán xạ Hình Khảo sát ảnh hưởng ñường kính ống CNT lên ñặc trưng 10 I-V CNTFET ñồng trục Hình 1.7 Mô hình CNTFET ñồng trục mô hình tương ñương 10 tín hiệu nhỏ Hình 2.1 Sự xếp orbital lớp graphen cuộn tròn thành 13 CNT Hình 2.2 a) ðịnh dạng ống nanô carbon từ graphen; b) cấu 14 trúc ống nanô carbon; c) phân tử fullerene (C60) Hình 2.3 ðịnh dạng CNT ñơn tường từ graphen 15 Hình 2.4 ðịnh nghĩa vectơ mạng lục giác Mắt lưới chưa 15 ñược cuộn (A) cấu trúc ống nanô (16,0) hình thành sau cuộn (B) Hình 2.5 Cấu trúc ống nanô carbon với số (n, m) khác 16 Hình 2.6 Hình ảnh minh họa ñặc trưng CNTFET cổng sau 19 Hình 2.7 Hình ảnh minh hoạ cấu trúc họ ñặc trưng CNTFET 20 cổng Hình 2.8 Ảnh AFM sơ ñồ mặt cắt ngang CNT n-FET SWNT 21 viii (d ∼ 1.5 nm) có chiều dài kênh LS/D _150 nm hai cực nguồn/máng Pd Lớp ñiện môi cổng HfO2 dày tOX = nm ðặc trưng dòng máng CNTFET phẳng mô tả dẫn ñiện lưỡng cực ñược mô tả hình cuối Hình 2.9 Hình ảnh minh hoạ cấu trúc CNTFET thẳng ñứng 22 Hình 2.10 Minh họa sơ ñồ khối SB-CNTFET 23 Hình 2.11 Sơ ñồ khối MOS-CNTFET 23 Hình 2.12 Minh hoạ dải lượng SB-CNTFET trạng thái ON 24 OFF Hình 2.13 Minh họa sơ ñồ khối SB-CNTFET với ống nanô 25 cacbon ñược gắn trực tiếp ñến cực nguồn máng kim loại Hình 2.14 Hoạt ñộng CNTFET rào Schottky (SB-CNTFET) 28 Hình 2.15 Cổng ñảo CNTFET bù nội phân tử ñược làm 29 CNTFET loại p CNTFET loại n nối tiếp Hình 2.16 ðường ñặc trưng vào cổng ñảo dùng CNTFET 29 Hình 2.17 ðặc trưng vào của cổng NOR 30 Hình 2.18 Kết hợp số lẻ cổng ñảo dẫn ngõ ngược lại ngõ vào 30 thu ñược mạch dao ñộng vòng 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 ñiện tử kênh dẫn 37 Hình 3.4 Dòng ñiện tử vào khỏi kênh dẫn 37 mức lượng ε ñiện cực nguồn S ñiện cực máng D Hình 3.5 Sự hình thành dòng ñiện qua kênh dẫn với mức 39 lượng ε Hình 3.6 Mô hình transistor mức trạng thái cân 41 Hình 3.7 Khi ñiện kênh dẫn nằm ñiện ñiện cực nguồn S 41 - 89 - 5.3 PHÁT TRIỂN BIỂU THỨC QUAN HỆ I-V CHO CNTFET ðỒNG TRỤC Các ñồ thị mô ñặc trưng cho CNTFET ñược tính từ công thức dựa thuật toán hàm Green không cân Dòng nguồn-máng ñược tính theo biểu thức Landauer: I= 4e T ( E ) [ f S ( E ) − f D ( E )]dE h ∫ (5.1) Từ ñồ thị tác giả giải thích theo biểu thức giải tích ñề 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 công thức: gd = W µ n Q 'n L (5.3) Với: µ n : gọi ñộ linh ñộng ñiện tử Q 'n : gọi ñộ lớn ñiện tích lớp ñảo ñơn vị diện tích W : ñộ rộng kênh dẫn, ñường kính ống CNT L : ñộ dài kênh dẫn, chiều dài ống CNT Mật ñộ ñiện tích lớp ñảo hàm số tụ ôxit cổng, cổng dư giá trị ngưỡng Do ñó, kết hợp biểu thức (5.2) (5.3), ta viết sau: Q 'n = C ox (V gs − VTN ) (5.4) Mật ñộ ñiện tích hàm số cổng, ñó ñộ dẫn kênh bị biến ñiệu 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 không thay ñổi (vùng C) Hình 5.3 ðặc tuyến Id-Vd 3000K ñược 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, ñó mật ñộ ñiện tích tương ñối không 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 ñộ ñiện tích tạo gần máng giảm, ñộ dẫn kênh giảm Khi ñó ñộ nghiêng ñường cong Ids với Vds giảm Khi Vds tiếp tục tăng tới ñiểm mà ñó sụt qua lớp ôxit chân máng VT, lúc ñộ dẫn máng không, nghĩa ñộ nghiêng ñường cong Id với Ids lúc không Ta viết: Vgs − Vds = VT (5.6a) Vds ( sat ) = V gs − VT (5.6b) Với Vds(sat) máng - nguồn tạo nên mật ñộ ñiện tích ñảo không chân máng, nghĩa thời ñiểm ñộ nghiêng ñường cong Id với Vds không • Tại vùng C: Khi Vds bắt ñầu lớn giá trị Vds(sat), ñiểm kênh ñó ñiện tích ñảo zero, chuyển theo hướng chân nguồn Trong trường hợp ñiện tử ñi vào kênh nguồn ñi qua kênh theo hướng máng Sau ñó ñiểm mà ñiện tích giảm tới không, ñiện tử ñược bơm vào vùng không gian Ở ñó chúng ñược quét ñiện trường tiếp xúc với máng Vùng xét ñặc tuyến Id -Vds ñược gọi vùng bão hòa Khi Vgs thay ñổi, ñường cong Ids tăng dần, mật ñộ ñiện tích tăng Lúc mật ñộ ñiện tích ñược 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 ñồ thị hình 5.3 ta thấy Ids tăng cách phi tuyến Vg tăng Khi ñó dòng 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 ñịnh nghĩa thông số dẫn Khi ñó : L I d = K n [2(V gs − VTN ) Vds − Vds2 ] (5.11) Giá trị Vds giá trị dòng ñỉnh ñược tìm thấy từ việc lấy ñạo hàm: ∂I d =0 ∂Vds (5.12) Dòng ñỉnh xuất : Vds = V gs − VTN Giá trị Vds giá trị Vds(sat), ñiểm ñó xuất bão hòa Khi Vds > Vds(sat), dòng máng Id lúc lý tưởng bão hòa Dòng Id vùng bão hòa ñược 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 hòa hàm bậc ñối với Vgs, ñó Vgs tăng dòng máng Id tăng cách phi tuyến theo hệ số mũ α ñó Với : (V gs − VTN ) α (5.15) Vì vậy, xác ñịnh ñược chiều dài, chiều rộng kênh dẫn, ñộ linh ñộng, ñiện dung tụ Cox, ta tính ñược 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 toán hàm Green ñã nói ta xây dựng mô hình ma trận xác suất truyền, nên không xác ñịnh 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 mô Ta biết ñược ngưỡng, ñộ dài, ñộ rộng kênh dẫn CNT, dòng Id v.v…Từ ñó kiểm tra ñược giá trị thực nghiệm ñộ linh ñộng µ Từ biểu thức (5.14) dòng bão hòa Nếu lấy bậc ta có ñược : I d ( sat ) = W µC ox [(V gs − VTN ) ] 2L (5.17) Với thông số ño ñược từ mô ta tính ñược ngưỡng VTN • ðộ dẫn: ñược ñịnh nghĩa ñó thay ñổi dòng máng tương ứng với thay ñổi cổng Ta có: gm = - ∂I d ∂V gs (5.18) Xét vùng không bão hòa 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 không bão hòa, ta thấy ñộ dẫn tăng tuyến tính với Vds ñộc lập với Vg [10] - Xét vùng bão hòa 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 ñộ dẫn tăng tuyến tính với Vgs ñộc 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 ñộ dài kênh giảm ñộ dày cổng ôxít giảm Khi thiết kế CNTFET, người ta trọng nhiều ñến ñộ rộng, nghĩa ñường kính ống CNT Dựa vào thông số mô hai vùng bão hòa không bão hòa, ta tính ñược ñộ linh ñộng hay ñộ dẫn linh kiện Tóm lại, biểu thức giải tích quan hệ dòng-thế ñối với linh kiện CNTFET mở rộng cho linh kiện FET lai kích thước nanô tóm tắt bảng 5.1 Bảng 5.1 Mối liên hệ dòng Id-Vds biểu thức giải tích hai vùng hoạt ñộng bão hòa không bão hòa cho CNTFET sau: Vị trí Vds - Dòng máng Id ñối với thiên áp vùng không bão hòa Vds < Vds (sat ) Dòng Id I d = K n [2(V gs − VTN ) Vds − Vds2 )] -Tại ñiểm bão hòa Vds ( sat ) = V gs − VTN - Dòng máng Id ñối với thiên áp vùng bão hòa: 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 ñầy 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 mô hình CNTFET ñồng trục, dùng ống nanô carbon ñơn tường làm kênh dẫn CNTFET ñồng trục có cực cổng hình trụ bao quanh ống CNT ðể mô ñặc tính I-V CNTFET ñồng trục, tác giả ñã dùng thuật toán hàm Green không cân (NEGF) ñể tính toán mật ñộ ñiện tử chạy kênh dẫn, kết hợp GUI Matlab ñể vẽ trình bày kết Ảnh hưởng thông số kim loại dùng làm ñiện cực máng-nguồn, chiều dài kênh dẫn, ñường kính ống CNT, ñộ dày lớp cổng, vật liệu ñiện môi dùng làm lớp ôxit 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 công trình ñã ñược công bố cuối ñề xuất chế tạo CNTFET thực nghiệm Những kết khoa học luận án ñạt ñược: Tác giả ñã phát triển mô hình CNTFET ñồng 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 ñiện cực nguồn máng, lớp ôxít cách ñiện chất ñiện môi có số ñiện môi cao : SiO2, Al2O3, HfO2, TiO2, ZrO2, SrTiO3, Si3N4 Xây dựng phần mềm mô cho CNTFET ñồng trục sử dụng phương pháp hàm Green không cân (NEGF) kết hợp mô Matlab ñể tính toán mô biểu diễn 3D họ ñặc 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, ñường kính ống CNT, ñộ dày lớp ôxít 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 ñề xuất - ðo thông số ñặc trưng CNTFET chế tạo ñược - Kiểm nghiệm kết mô - 97 - DANH MỤC CÁC CÔNG 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 ñặc trưng transistor dùng ống nanô carbon”, Tạp chí Phát triển khoa học Công nghệ, ðại học quốc gia Tp.HCM, số 13, trang (15-27) [7] Nguyễn Thị Lưỡng (2010), “Khảo sát ảnh hưởng kích thước ống nanô carbon lên ñặc trưng Transistor ống nanô carbon ñồng 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 mô linh kiện ñiện tử nanô 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] Hoàng Dũng, Nhập môn lượng tử (Tập 1), NXB Giáo Dục, 1999 [5] Nguyễn Hoài Sơn, ðỗ Thanh Việt, Bùi Xuân Lâm, Ứng dụng MatLab tính toán kỹ thuật, NXB ðại Học Quốc Gia TPHCM, 2000 [6] Vũ ðình Cự, Nguyễn Xuân Chánh, Công nghệ Nanô: ðiều khiển ñến phân tử nguyên 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 [...]... và mô phỏng Việc nghiên cứu CNTFET ñồng trục theo hướng thực nghiệm chưa thể thực hiện ñược trong ñiều kiện hiện nay Trong khi ñó mô phỏng là phương pháp nghiên cứu cho ra kết quả ñáng tin cậy và hoàn toàn thực hiện ñược Kết quả mô phỏng sẽ ñịnh hướng cho chế tạo và thực nghiệm Do ñó, ñây là phương pháp phù hợp ñể nghiên cứu CNTFET ñồng trục Cho nên tác giả ñã chọn ñề tài Mô phỏng transistor ống nanô. .. TỬ NANÔ Các nghiên cứu gần ñây ñã ñưa ra nhiều mô hình linh kiện thang nanômét có khả năng thay thế cho linh kiện CMOS trong 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, ... Dòng nguồn-máng kB - Hằng số Boltzmann L - Chiều dài kênh dẫn ống nanô carbon MWNT - Ống nanô carbon ña tường SWNT - Ống nanô carbon ñơn tường xiii mC NEGF - Khối lượng nguyên tử C = 12*1.6605e-27 kg - Thuật toán hàm Green không cân bằng q - ðiện tích ñiện tử q = 1.6.10-19C Q - ðiện tích của tụ ñiện Rt - ðiện trở kênh R - Bán kính ống nanô carbon S - Cực nguồn của FET t=3eV - Năng lượng liên kết giữa... 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 NANÔ Transitor ống nanô carbon (CNTFET) Linh kiện ñiện tử nanô hiệu ứng lượng tử Linh kiện ñiện tử nanô bán dẫn Linh kiện ñiện tử phân tử Linh kiện ñiện tử nguyên tử Chấm... dẫn trong MOSFET Transistor trường ống nanô là một trong các ứng cử viên ñầy 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 ñược dòng lớn, khả năng ñáp ứng tần số tốt và mật ñộ tích hợp cao 1.3 NGHIÊN CỨU VỀ TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANÔ CARBON Các linh kiện sử dụng ống nanô carbon (Carbon nanotube,... xuống dưới 20 nm Trong luận án này, tác giả sẽ việc khảo sát ảnh hưởng của nhiệt ñộ, vật liệu ñiện môi, kim loại dùng làm ñiện cực nguồn- máng, kích thước ống nanô carbon lên ñặc trưng của CNTFET ñồng trục có ý nghĩa rất quan trọng trong việc ñánh giá khả năng ñáp ứng của CNTFET và ñịnh hướng cho công nghệ chế tạo CNTFET trong tương lai - 12 - Chương 2 TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANÔ CARBON 2.1 ỐNG NANÔ... ñơn tường và CNT ña tường Ống nanô carbon ñơn tường (Single Walled Nanotube SWNT), ñường kính tối ña khoảng từ 1 nm – 3 nm, chiều dài khoảng 50 nm – 10 µm ðối với ống nanô carbon ña tường (Multi Walled Nanotube- MWNT), ñường kính cho phép ñến trên 25 nm và chiều dài lên ñến hàng trăm µm - 14 - Hình 2.2 a) ðịnh dạng của ống nanô carbon từ lá graphen; b) các cấu trúc ống nanô carbon; c) phân tử fullerene... quang (optical phonon scattering) AP - Tán xạ phonon âm (acoustic phonon scattering) CG, CS,CD CNT CNTFET CVD - Các tụ lượng tử - Ống nanô carbon - Transistor trường ống nanô carbon - Kỹ thuật lắng ñọng bay hơi hoá học (Chemical vapor deposition) d - ðường kính ống nanô carbon D - Cực máng của FET D0 - Hàm mật ñộ trạng thái EC - Mức năng lượng cực tiểu của vùng dẫn Eg - ðộ rộng vùng cấm EV - Mức năng... TSMC, Sony,Toshiba, NEC, NASA… Transistor trường ống nanô carbon là một trong các ứng cử viên ñầy hứa hẹn có thể thay thế các transistor trường MOSFET trong tương lai vì những tính chất hấp dẫn của chúng như: tốc ñộ ñáp ứng cao, kích thước nhỏ, công suất tiêu thụ thấp, nhiệt ñộ làm việc ổn ñịnh… Linh kiện sử dụng ống nanô carbon trong nhiều năm qua ñã ñược nghiên cứu, mô phỏng và một số ñã ñược chế tạo... riêng biệt và CNTFET cổng trên Luận án có cấu trúc ñược sắp xếp theo trình tự như sau: Mở ñầu 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 ñặc trưng của CNTFET ñồng trục Chương 4: Kết quả mô phỏng Chương 5: ðề xuất thực nghiệm Kết luận Tài liệu tham khảo -5- Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CHẾ