(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất si sige sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NGUYỄN THỊ THU NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG KÊNH NGẮN TRONG CÁC TRANZITO TRƯỜNG XUYÊN HẦM VỚI CẤU TRÚC DỊ CHẤT Si/SiGe SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HAI CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ KỸ THUẬT Lâm Đồng–2017 i BÌA PHỤ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG KÊNH NGẮN TRONG CÁC TRANZITO TRƯỜNG XUYÊN HẦM VỚI CẤU TRÚC DỊ CHẤT Si/SiGe SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HAI CHIỀU Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 60.52.04.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Đăng Chiến Học viên thực hiện: Nguyễn Thị Thu ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Đăng Chiến, người trực tiếp dạy, hướng dẫn cung cấp kiến thức tảng cho tơi suốt thời gian qua để tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn thầy, cô khoa Sau Đại Học, Trường Đại Học Đà Lạt giảng dạy, truyền đạt cho kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian học tập trường Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè ln động viên giúp đỡ tơi suốt q trình học tập Lâm Đồng, ngày 10 tháng năm 2017 Nguyễn Thị Thu iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn TS Nguyễn Đăng Chiến Những kết nghiên cứu người khác số liệu trích dẫn luận văn thích đầy đủ Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước nhà trường cam đoan Lâm Đồng, ngày 10 tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Thị Thu iv MỤC LỤC BÌA PHỤ i LỜI CẢM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ .vii TÓM TẮT CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.2 Thuận lợi TFET 1.3 Mục tiêu luận văn CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 2.1 Phần mềm mô 2.2 Mẫu vật lý mô 11 2.2.1 Cơ chế chuyển dịch điện tử chất bán dẫn 11 2.2.2 Mẫu xuyên hầm Kane 13 2.3 Phương pháp mô 14 CHƯƠNG 3: CƠ CHẾ CỦA HIỆU ỨNG KÊNH NGẮN TRONG TFET 16 3.1 Cơ chế hiệu ứng kênh ngắn 16 3.1.2 Hiệu ứng kênh ngắn 19 3.2 Sự phụ thuộc vào tham số linh kiện hiệu ứng kênh ngắn 22 3.2.1 Điện môi cổng 22 3.3 Sự phụ thuộc vào cấu trúc linh kiện hiệu ứng kênh ngắn 27 3.4 Sự phụ thuộc vào vật liệu linh kiện hiệu ứng kênh ngắn 29 3.5 Sự phụ thuộc vào hiệu điện máng-nguồn linh kiện hiệu ứng kênh ngắn 31 CHƯƠNG 4: HIỆU ỨNG KÊNH NGẮN TRONG CÁC TFET CẤU TRÚC DỊ CHẤT Si/SiGe LOẠI P VÀ N 35 4.1 Tăng dòng dẫn nhờ cấu trúc Si/SiGe 35 v 4.2 TFET dùng chuyển tiếp dị chất gián đoạn Si/SiGe 37 4.3 TFET dùng chuyển tiếp dị chất liên tục Si/SiGe 41 KẾT LUẬN 45 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết tắt đầy đủ Chữ viết tắt đầy đủ Tiếng Anh Tiếng Việt Metal-Oxide-Semiconductor Tranzito hiệu ứng trường kim Field-Effect Transistor loại-ơxít-bán dẫn Tunnel Field-Effect Transistor Tranzito trường xuyên hầm VDD Power Supply Voltage Điện áp nguồn cấp SS Subthreshold Swing Độ dốc ngưỡng Band-To-Band-Tunneling Xuyên hầm qua vùng cấm SCE Short-Channel Effect Hiệu ứng kênh ngắn Iamb Ambipolar Leakage Current Dòng rò lưỡng cực Ion On-Current Dòng điện mở Ioff Off-Current Dòng điện tắt Equivalent Oxide Thickness Độ dày ơ-xít tương đương Oxide Thickness Độ dày lớp ơ-xít SOI Silicon On Insulator Silicon lớp cách điện Vgs Gate-to-Source Voltage Hiệu điện cổng nguồn Lg Channel Length Chiều dài kênh International Technology Dự báo quốc tế công nghệ Roadmap for Semiconductors bán dẫn MOSFET TFET BTBT EOT tox ITRS vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phác họa đặc tính dịng-thế MOSFET TFET…………………….5 Hình 2.1 Chất bán dẫn có (a) vùng cấm trực tiếp (b) vùng cấm gián tiếp…….12 Hình 3.1 Cấu trúc đặc trưng (a) MOSFET truyền thống (b) linh kiện TFET sử dụng silicon……………………………………………………… 17 Hình 3.2 Đặc tính dịng-thế (a) MOSFET (b) TFET kênh dài…………….18 Hình 3.3 Giản đồ lượng (a) MOSFET (b) TFET trạng thái tắt mở chiều dài kênh Lg=200 nm 19 Hình 3.4 Đặc tính dịng-thế (a) MOSFET (b) TFET với chiều dài kênh (Lg) khác 20 Hình 3.5 Giản đồ lượng (a) MOSFET (b) TFET trạng thái tắt với chiều dài kênh (Lg) khác 21 Hình 3.6 Đặc tính dịng-thế TFET với chiều dài kênh (Lg) khác 22 Hình 3.7 Giản đồ lượng trạng thái tắt TFET với chiều dài kênh (Lg) khác 23 Hình 3.8 Đặc tính dịng-thế TFET sử dụng vật liệu ơ-xít cực cổng có (a) ε = (b) ε = 21 với chiều dài kênh (Lg) khác 24 Hình 3.9 Giản đồ lượng TFET (a) trạng thái mở (b) trạng thái tắt với điện môi cổng khác 25 Hình 3.10 Đặc tính dịng-thế TFET với nồng độ máng (a) ND=1019 cm-3 (b) ND=5×1018 cm-3 có chiều dài kênh (Lg) khác 26 Hình 3.11 Giản đồ lượng TFET trạng thái tắt với nồng độ máng khác 27 Hình 3.12 Cấu trúc đặc trưng TFET với cấu trúc (a) SOI (b) TFET lưỡng cổng 28 Hình 3.13 Đặc tính dịng-thế TFET với cấu trúc (a) SOI (b) lưỡng cổng có chiều dài kênh (Lg) khác 29 Hình 3.14 Giản đồ lượng trạng thái tắt TFET với cấu trúc khác 30 viii Hình 3.15 Đặc tính dịng-thế TFET sử dụng vật liệu (a) Si0.7Ge0.3 (b) Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh (Lg) khác 31 Hình 3.16 Giản đồ lượng trạng thái tắt TFET sử dụng vật liệu khác 32 Hình 3.17 Đặc tính dịng-thế TFET hiệu điện máng-nguồn (a) 0.7V (b) 0.4V với chiều dài kênh (Lg) khác 33 Hình 3.18 Giản đồ lượng trạng thái tắt TFET sử dụng hiệu điện máng-nguồn khác 34 Hình 4.1 Cấu trúc đặc trưng Si/SiGe TFET……………………………………… 36 Hình 4.2 Đặc tính dịng-thế TFET sử dụng cấu trúc Si/Si1-xGex với giá trị x khác nhau………………………………………………………………………… 37 Hình 4.3 Giản đồ lượng TFET trạng thái mở sử dụng cấu trúc Si/Si1-xGex với giá trị x khác nhau…………………………………………………38 Hình 4.4 Cấu trúc đặc trưng TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7……………………………………………………… 39 Hình 4.5 Đặc tính dịng-thế TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh (Lg) khác nhau…………………40 Hình 4.6 Giản đồ lượng TFET loại n loại p sử dụng dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh Lg=10nm trạng thái tắt………… 41 Hình 4.7 Cấu trúc đặc trưng TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7……………………………………………………………… 42 Hình 4.8 Đặc tính dịng-thế TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh (Lg) khác nhau……………………… 43 Hình 4.9 Giản đồ lượng TFET loại n loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh Lg=10 nm trạng thái tắt…………………… 44 TÓM TẮT Tranzito hiệu ứng trường kim loại-ơxít-bán dẫn (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)) hoạt động dựa chế khuếch tán nhiệt (thermal diffusion) truyền thống, có độ dốc ngưỡng (subthreshold swing (SS)) từ 60 mV/decade trở lên nhiệt độ phòng Điều làm hạn chế khả thu nhỏ kích thước vật lý giới hạn việc giảm điện áp nguồn cấp (power supply voltage) linh kiện MOSFET Không giống MOSFET, tranzito trường xuyên hầm (tunnel field-effect transistor (TFET)) hoạt động với chế xuyên hầm qua vùng cấm (band-to-band-tunneling (BTBT)) chất bán dẫn; có độ dốc ngưỡng nhỏ 60 mV/decade chứng minh lý thuyết thực nghiệm Do đó, TFET thích hợp để sử dụng mạch có cơng suất tiêu thụ thấp kích thước nhỏ tương lai Để giải thích, hiểu rõ phụ thuộc hiệu ứng kênh ngắn vào tham số cấu trúc linh kiện TFET, luận văn nghiên cứu chất vật lý phương pháp khắc phục hiệu ứng kênh ngắn (short-channel effect) tranzito trường xuyên hầm sử dụng tham số vật liệu điện môi cổng, nồng độ tạp chất cực máng, độ rộng vùng cấm chất bán dẫn, hiệu điện máng-nguồn cấu trúc linh kiện đơn cổng, lưỡng cổng Đặc biệt, tiến hành khảo sát cấu trúc Si/SiGe hiệu ứng kênh ngắn TFET cấu trúc dị chất Si/SiGe loại p n Nhằm giải vấn đề dòng dẫn TFET, so sánh khả thu nhỏ tranzito trường xuyên hầm loại n loại p; giải thích nguyên nhân khác biệt Các nghiên cứu thực phương pháp mô hai chiều phần mềm MEDICI sử dụng mẫu xuyên hầm Kane mẫu dùng phổ biến để tính tốc độ xun hầm Từ cho phép xác định nguyên nhân, chế gây hiệu ứng kênh ngắn linh kiện TFET nhằm đề xuất cấu trúc tham số thích hợp để giảm thiểu hiệu ứng kênh ngắn như: sử dụng điện môi cổng cao, nồng độ pha tạp cực máng thấp, hiệu điện máng-nguồn thấp, cấu trúc lưỡng cổng Hơn nữa, sử dụng cấu trúc dị chất Si/SiGe làm tăng dòng điện mở (on-current) đồng thời hạn chế dòng rò lưỡng cực (ambipolar leakage current) linh kiện giúp giải 37 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -11 10 -12 10 -13 10 -14 10 -15 10 -16 10 -17 10 -18 x=0.7 Si/Si1-xGex TFETs -0.3 x=0.3 x=0 Vds = 0.7 V Lg = 30 nm ND = 5×1018 cm-3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Gate-to-Source Voltage (V) Hình 4.2 Đặc tính dịng-thế TFET sử dụng cấu trúc Si/Si1-xGex với giá trị x khác 4.2 TFET dùng chuyển tiếp dị chất gián đoạn Si/SiGe Hình 4.4 phác họa cấu trúc đặc trưng TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 Độ dày tới hạn vật liệu Si1-xGex (critical layer thickness) tham số quan trọng chế tạo linh kiện TFET Theo kết chứng minh [40], độ dày tới hạn giảm nồng độ Ge tăng Do đó, cấu trúc TFET dùng chuyển tiếp dị chất gián đoạn Si/SiGe sử dụng nồng độ Ge giới hạn đến 0.7 nồng độ Ge cao ảnh hưởng xấu đến đặc tính hoạt động gây khó khăn việc chế tạo linh kiện TFET Sử dụng dị chất Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 với nồng độ Ge lệnh 0.3 giúp cải thiện dòng điện mở, đồng thời hạn chế dòng rò độ dốc ngưỡng [41] Cấu trúc TFET lưỡng cổng với độ dày linh kiện 10 nm lớp ơ-xít cực cổng có độ dày nm sử dụng HfO2 không giảm hiệu ứng kênh ngắn mà cịn trì hiệu ứng giam giữ lượng tử tối thiểu [42] Với TFET loại n, hiệu điện cổng-nguồn xác định nguồn pha tạp với nồng độ lớn vùng nghèo hẹp, làm độ dốc lớp chuyển tiếp nguồn-kênh p-n lớn, độ rộng vùng cấm trở nên hẹp dẫn đến điện tử dễ dàng xuyên hầm từ nguồn đến kênh khiến dòng điện mở lớn Còn máng pha tạp với nồng độ thấp, độ rộng xuyên hầm lớn làm giảm xác suất xuyên hầm từ kênh qua máng Do đó, cấu trúc TFET này, 38 1.5 TFETs 1.0 Tunneling Direction 0.5 Source Barrier Height 0.0 -0.5 Barrier Width -1.0 Drain -1.5 -2.0 Vds = 0.7 V Lg = 30 nm ND = 5×1018 cm-3 Si/Si1-xGex: x=0 x=0.7 ON-state (Vgs = 0.7 V) -2.5 -10 -5 10 15 20 Distance to Source (nm) Hình 4.3 Giản đồ lượng TFET trạng thái mở sử dụng cấu trúc Si/Si1-xGexvới giá trị x khác nguồn pha tạp nặng loại p nồng độ 1020 cm-3 để làm tăng dòng điện mở pha tạp loại n nồng độ 5×1018 cm-3 cho cực máng để giảm dòng rò xuyên hầm [43] Vùng kênh pha tạp loại n với nồng độ 1017 cm-3 độ biên thiên tạp chất nm/decade giả định tất lớp chuyển tiếp p-n Với TFET loại p, loại tạp chất độ lớn nồng độ pha tạp ngược lại với TFET loại n Trong TFET loại n loại p, mặt chuyển tiếp dị chất lùi vào khu vực kênh nm từ phía nguồn để tối ưu tốc độ xuyên hầm Si0.3Ge0.7 có độ rộng vùng cấm nhỏ, điều làm cho tốc độ xuyên hầm đạt cực đại dòng điện mở lớn [39] Linh kiện TFET loại n sử dụng hàm cơng (workfunction) có độ lớn 4.3 eV 5.0 eV cho TFET loại p Quan sát hình 4.5 biểu diễn đặc tính dịng-thế TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh (Lg) giảm từ 30 nm xuống nm để khảo sát hiệu ứng kênh ngắn TFET gián đoạn Đầu tiên, hình 4.5 cho thấy dòng điện mở TFET loại n loại p có độ lớn gần dịng trạng thái mở dịng xun hầm lớp chuyển tiếp nguồn-kênh, mà rào xuyên hầm hai trường trường hợp vùng nguồn sử dụng Si0.3Ge0.7 Trong TFET loại n, dòng điện tắt độ dốc ngưỡng tăng mạnh chiều dài kênh giảm từ 30 nm xuống nm, chứng tỏ hiệu 39 Abrupt TFETs (a) N-Type TFET Si0.6Ge0.4 n+ (b) P-Type TFET Si0.3Ge0.7 n Gate Si0.6Ge0.4 + p p++ HfO2 Si0.3Ge0.7 p n++ Source Drain Hình 4.4 Cấu trúc đặc trưng TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 ứng kênh ngắn TFET dùng chuyển tiếp dị chất gián đoạn loại n xảy chiều dài kênh giảm 30 nm Tuy nhiên, TFET loại p, hiệu ứng kênh ngắn cải thiện với dòng điện tắt độ dốc ngưỡng nhỏ Việc sử dụng dị chất Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7, linh kiện TFET gián đoạn loại p thu nhỏ chiều dài kênh xuống 15 nm hiệu ứng kênh ngắn linh kiện TFET giảm đáng kể Có thể giải thích chế hiệu ứng kênh ngắn TFET gián đoạn thông qua giản đồ lượng TFET loại n loại p sử dụng dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh ngắn 10 nm hình 4.6 Như ta biết, xác suất xuyên hầm phụ thuộc mạnh vào độ cao độ rộng rào xuyên hầm Mặc dù, độ rộng rào xuyên hầm TFET loại n loại p trạng thái tắt gần độ cao rào xuyên hầm khác độ rộng vùng cấm Si0.6Ge0.4 khác độ rộng vùng cấm Si0.3Ge0.7 Do độ cao rào xuyên hầm TFET loại n thấp độ cao rào xuyên hầm TFET loại p nên dòng điện tắt độ dốc ngưỡng tương ứng lớn dòng điện tắt độ dốc ngưỡng TFET loại p Nguyên nhân khác độ cao rào xuyên hầm hai trường hợp không đối xứng dị chất Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 xuyên hầm không 40 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -11 10 -12 10 -13 10 -14 10 -15 -0.3 Abrupt Si/Si0.3Ge0.7 N-Type TFETs Vds = 0.7 V Channel Length (Lg = 30, 15, 10, nm) (a) -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Gate-to-Source Voltage (V) 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -11 10 -12 10 -13 10 -14 10 -15 -0.7 Abrupt Si/Si0.3Ge0.7 P-Type TFETs Vds = -0.7 V Channel Length (Lg = 30, 15, 10, nm) (b) -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 Gate-to-Source Voltage (V) Hình 4.5 Đặc tính dịng-thế TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh khác đối xứng electron di chuyển từ vùng hóa trị đến vùng dẫn linh kiện TFET Do cấu tạo không đối xứng, electron hóa trị xuyên hầm từ khu vực sử dụng vật liệu Si0.3Ge0.7 có độ rộng vùng cấm nhỏ đến vùng vật liệu Si0.6Ge0.4 có độ rộng vùng cấm lớn TFET loại n Và ngược lại, TFET loại p, electron xuyên hầm từ miền vật liệu Si0.6Ge0.4 có độ rộng vùng cấm lớn đến vùng vật liệu Si0.3Ge0.7 có độ rộng vùng cấm nhỏ Nếu tam giác dùng để mô tả độ cao độ rộng rào xuyên hầm hình 4.6, độ cao rào xuyên hầm TFET loại n thấp đáng kể so với độ cao rào xuyên hầm TFET loại p 41 1.0 0.5 Barrier Width 0.0 -0.5 Drain N-TFET Tunneling Direction |Vds| = 0.7 V Barrier Height Barrier Height Source Barrier Width -1.0 -1.5 -15 OFF-state (Vgs = V) Tunneling Direction -10 -5 P-TFET Distance to Source (nm) Hình 4.6 Giản đồ lượng TFET loại n loại p sử dụng dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh Lg=10 nm trạng thái tắt 4.3 TFET dùng chuyển tiếp dị chất liên tục Si/SiGe Trong mục 4.2, khác hiệu ứng kênh ngắn TFET loại n loại p dùng chuyển tiếp dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 chứng minh Trong phần này, hiệu ứng kênh ngắn TFET loại n loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 tiếp tục khảo sát Hình 4.7 phác họa cấu trúc đặc trưng TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 Tất tham số linh kiện TFET dùng chuyển tiếp dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 như: biên dạng tạp chất cực máng, cấu trúc tham số vật liệu TFET gián đoạn Riêng máng dùng vật liệu Si có độ rộng vùng cấm cao nồng độ Ge vùng kênh tăng từ khu vực máng đến 0.7 khu vực nguồn Hình 4.8 biểu diễn đặc tính dịng-thế TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh thay đổi từ 30 nm xuống nm Như TFET gián đoạn loại n, hiệu ứng kênh ngắn TFET dùng chuyển tiếp dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 loại n trở nên nghiêm trọng chiều dài kênh thu nhỏ xuống 30 nm Việc sử dụng dị chất liên tục không mang lại lợi ích cho việc giảm hiệu ứng kênh ngắn linh kiện TFET loại n Dòng điện mở TFET liên tục loại n tăng chiều dài kênh giảm xuyên hầm sớm 42 Graded TFETs (a) N-Type TFET Si Graded Si0.3Ge0.7 n+ n p++ (b) P-Type TFET Si + p Gate HfO2 Graded Si0.3Ge0.7 p n++ Source Drain Hình 4.7 Cấu trúc đặc trưng TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 electron Tuy nhiên, TFET liên tục loại p, hiệu ứng kênh ngắn bị triệt tiêu hoàn toàn kể chiều dài kênh ngắn nm Độ dốc ngưỡng khơng khơng tăng mà cịn giảm chiều dài kênh giảm Độ dốc ngưỡng giảm chủ yếu chuyển đổi đột ngột rào xuyên hầm thay đổi điện cổng [30] Ngoài ra, dòng điện mở TFET liên tục loại p giảm chiều dài kênh giảm xuyên hầm trễ electron Tuy nhiên, dòng điện mở thấp cải thiện cách điều chỉnh đặc tính kim loại thơng qua hàm cơng (workfunction) Để làm sáng tỏ hiểu rõ khác hiệu ứng kênh ngắn TFET liên tục loại n loại p Hình 4.9 biểu diễn giản đồ lượng trạng thái tắt TFET loại n loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh ngắn Lg=10 nm Dựa giả định hàng rào xuyên hầm có dạng tam giác, ta thấy độ cao rào xuyên hầm TFET loại p cao đáng kể so với độ cao rào xuyên hầm TFET loại n Sự khác độ cao rào xuyên hầm TFET loại n loại p trình xuyên hầm không đối xứng hai trường hợp Khi điện tử vùng hóa trị chất bán dẫn xuyên hầm từ nguồn sử dụng Si0.3Ge0.7 có độ rộng vùng cấm nhỏ đến máng sử dụng Si có độ rộng vùng cấm 43 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -11 10 -12 10 -13 10 -14 10 -15 -0.3 Graded Si/Si0.3Ge0.7 N-Type TFETs Vds = 0.7 V Channel Length (L g = 30, 15, 10, nm) (a) -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Gate-to-Source Voltage (V) 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -11 10 -12 10 -13 10 -14 10 -15 -0.7 Graded Si/Si0.3Ge0.7 P-Type TFETs Vds = -0.7 V Channel Length (Lg = 30, 15, 10, nm) (b) -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 Gate-to-Source Voltage (V) Hình 4.8 Đặc tính dịng-thế TFET (a) loại n (b) loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh khác lớn TFET loại n Và ngược lại, TFET loại p, điện tử xuyên hầm từ máng có độ rộng vùng cấm lớn đến nguồn có độ rộng vùng cấm nhỏ Ngoài ra, độ rộng rào xuyên hầm TFET loại p lớn so với độ rộng xuyên hầm TFET loại n, làm hạn chế dòng rò xuyên hầm Với độ cao rào xuyên hầm cao độ rộng rào xuyên hầm lớn so với độ cao độ rộng TFET loại n, dòng rò xuyên hầm TFET loại p giảm xuống mức tối thiểu để đảm bảo đặc tính tắtmở linh kiện TFET loại p dùng chuyển tiếp dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 44 1.0 0.5 Barrier Height Barrier Width 0.0 -0.5 N-TFET Tunneling Direction |Vds| = 0.7 V Barrier Height Drain Source Barrier Width -1.0 -1.5 -15 OFF-state (Vgs = V) Tunneling Direction -10 -5 P-TFET Distance to Source (nm) Hình 4.9 Giản đồ lượng TFET loại n loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh Lg=10 nm trạng thái tắt 45 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu chế vật lý phụ thuộc hiệu ứng kênh ngắn tranzito trường xuyên hầm vào tham số, cấu trúc linh kiện như: bề dày lớp ơ-xít, nồng độ tạp chất cực máng, độ rộng vùng cấm chất bán dẫn, hiệu điện máng-nguồn, cấu trúc đơn cổng lưỡng cổng Từ cho thấy TFET sử dụng chất điện mơi có số cao, máng pha tạp với nồng độ thấp, hiệu điện máng-nguồn nhỏ, cấu trúc tranzito lưỡng cổng làm giảm hiệu ứng kênh ngắn linh kiện Đặc biệt luận văn khảo sát chất vật lý so sánh hiệu ứng kênh ngắn xảy tranzito trường xuyên hầm loại n, loại p dùng chuyển tiếp dị chất liên tục gián đoạn Si/SiGe Điều giải thách thức quan trọng TFET vừa tăng dòng dẫn đồng thời hạn chế dòng rò lưỡng cực linh kiện cấu trúc dị chất khả thu nhỏ TFET phụ thuộc vào chế độ hoạt động tranzito trường xuyên hầm loại n hay loại p dù có cấu trúc vật liệu Si/SiGe Nguyên nhân vật lý khác biệt không đối xứng cấu trúc dị chất kết hợp với q trình xun hầm khơng đối xứng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu ứng kênh ngắn TFET loại n loại p Hơn nghiên cứu cho thấy linh kiện TFET dùng chuyển tiếp dị chất liên tục gián đoạn loại p có hoạt động đặc tính tắt-mở tốt chiều dài kênh 10 nm Luận văn góp phần làm sáng tỏ hiểu biết đầy đủ chế hoạt động, đặc tính, cấu trúc TFET đơn cổng, lưỡng cổng tranzito trường xuyên hầm sử dụng cấu trúc dị chất, ảnh hưởng tham số linh kiện đến hiệu ứng kênh ngắn TFET Từ sở phát triển cho nghiên cứu định hướng cho nhà thiết kế tranzito trường xuyên hầm kênh ngắn giải pháp khả thi chế tạo linh kiện 46 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ [1] Nguyen Dang Chien, Nguyen Thi Thu, Chun-Hsing Shih and Luu The Vinh, “Different scalabilities of N- and P-type tunnel field-effect transistors with Si/SiGe heterojunctions,” in Proceedings of IEEE International Conference on IC Design and Technology (ICICDT), June 2016, pp.1-4 (Available online on IEEE Xplore with DOI:10.1109/ICICDT.2016.7542055; Indexed by EI, IEEE, SCOPUS) [2] Nguyen Dang Chien, Chun-Hsing Shih, Yu-Hsuan Chen and Nguyen Thi Thu, “Increasing drain voltage of low-bandgap tunnel field-effect transistors by drain engineering,”in Proceedings of IEEE International Conference on Electronics, Information and Communications (ICEIC), January 2016, pp 1-4.(Available online on IEEE Xplore with DOI: 10.1109/ELINFOCOM.2016.7562947; Indexed by EI, IEEE, SCOPUS) [3] Nguyễn Thị Tường Vi, Nguyễn Thị Thu, Đặng Ngọc Sơn, Nguyễn Đăng Chiến, “So sánh hiệu ứng kênh ngắn transistor hiệu ứng trường kim loạiô xít-bán dẫn (MOSFET) transistor trường xuyên hầm (TFET),” Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên Trường Đại học Đà Lạt, 2016,tr 30-36 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lu W.-Y and Taur Y (2006), “On the scaling limit of ultrathin SOI MOSFETs,” IEEE Trans Electron Devices 53(5), 1137-1141 [2] Frank D J., Dennard R H., Nowak E., Solomon P M., Taur Y., Wong A.-S P (2001), “Device scaling limits of Si MOSFETs and their application dependencies,” Proc of the IEEE 89(3), 259-288 [3] Sze S M and Ng K K (2007), Physics of semiconductor devices, John Wiley & Sons [4] Appenzeller J., Lin Y.-M., Knoch J and Avouris Ph (2004), “Band-to-band tunneling in carbon nanotube field-effect transistors,” Phys Rev Lett 93(19), 196905 [5] Ionescu A M and Riel H (2011), “Tunnel field-effect transistors as energyefficient electronic switches,” Nature 479, 329-337 [6] Kane E O (1961), “Theory of tunneling,” J Appl Phys 31(1), 83-91 [7] Dennard R.H., Gaensslen F H., Yu Hw A-N., Rideout V L., Bassous E., and LeBlanc A R (1974), “Design of Ion-Implanted MOSFET’s with Very Small Physical Dimensions,” IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-9(5), 256-268 [8] Sze S M (2001), Semiconductor devices: Physics and technology, John Willey & Sons, INC, 2nd Edition [9] Taur Y and Ning T (1998), Fundamentals of Modern VLSI Devices, Cambridge University Press, United Kingdom [10] Lo S –H., Buchannen D., Taur Y., and Wang W (1997), “QuantumMechanical modelling of Electron Tunnelling Current from Inversion Layer of Ultra-Thin-Oxide nMOSFETs,” IEEE Electron Device Lett 8, 209-211 [11] Kawaura H., Sakamoto T and Baba T (2000), “Observation of source-todrain direct tunneling current in nm gate electrically variable shallow junction metal-oxide-semiconductor Physics Letter 76(25), 3810-3812 field-effect transistors,” Applied 48 [12] Wu S.-Y et al (2014), “An enhanced 16nm CMOS technology featuring 2nd generation FinFET transistors and advanced Cu/low-k interconnect for low power and high performance applications,”IEDM Tech Dig 3.1.1-4 [13] Lin B J (2012), “Lithography till the end of Moore’s law,” Proc of the ACM Int Symp on Physical Design (ISPD), 1-2 [14] Baba T (1992), “Proposal for Surface Tunnel Transistors,” Jpn J Appl Phys 31(4B), L455-L457 [15] Choi W Y., Park B.-G., Lee J D and Liu T.-J K (2007), “Tunneling fieldeffect transistors (TFETs) with subthreshold swing (SS) less than 60 mV/dec,” IEEE Electron Device Lett 28(8), 743-745 [16] Jeon K et al (2010), ”Si tunnel transistors with a novel silicided source and 46mV-dec swing,” IEEESymp on VLSI Technology Digest of Technical Papers 978(1), 4244-7641 [17] Krishnamohan T., Donghyun K., Raghunathan S and Saraswat K (2008), “Double-gate strained-Ge heterostructure tunneling FET (TFET) with record high drive currents and