Luận văn thạc sĩ ngành Vật lý kỹ thuật: 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

Chia sẻ: NGUYEN THI THU | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST

Báo xấu

103
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn thạc sĩ ngành vật lý kỹ thuật: 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 trình bày các nội dung như cơ cấu của hiệu ứng kênh ngắn trong tfef, hiệu ứng kênh ngắn trong các tfet cấu trúc dị chất si/sige loại P và N.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ ngành Vật lý kỹ thuật: 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, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Đăng Chiến, người đã trực tiếp chỉ dạy, hướng dẫn và cung cấp kiến thức nền tảng cho tôi trong suốt thời gian qua để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các thầy, cô trong khoa Sau Đại Học, Trường Đại Học Đà Lạt đã giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian học tập tại trường. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Lâm Đồng, ngày 10 tháng 2 năm 2017 Nguyễn Thị Thu
iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đăng Chiến. Những kết quả nghiên cứu của người khác và các số liệu được trích dẫn trong luận văn đều được chú thích đầy đủ. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này. Lâm Đồng, ngày 10 tháng 2 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 .............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................... 3 1.2 Thuận lợi của TFET ....................................................................................... 5 1.3 Mục tiêu của luận văn .................................................................................... 6 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG...................................................... 9 2.1 Phần mềm mô phỏng ..................................................................................... 9 2.2 Mẫu vật lý trong mô phỏng .......................................................................... 11 2.2.1 Cơ chế chuyển dịch của điện tử trong chất bán dẫn .............................. 11 2.2.2 Mẫu xuyên hầm Kane ............................................................................ 13 2.3 Phương pháp mô phỏng ............................................................................... 14 CHƯƠNG 3: CƠ CHẾ CỦA HIỆU ỨNG KÊNH NGẮN TRONG TFET ....... 16 3.1 Cơ chế của hiệu ứng kênh ngắn ................................................................... 16 3.1.2 Hiệu ứng kênh ngắn .............................................................................. 19 3.2 Sự phụ thuộc vào các tham số linh kiện của hiệu ứng kênh ngắn ................. 22 3.2.1 Điện môi cổng ....................................................................................... 22 3.3 Sự phụ thuộc vào cấu trúc linh kiện của hiệu ứng kênh ngắn ....................... 27 3.4 Sự phụ thuộc vào vật liệu linh kiện của hiệu ứng kênh ngắn. ....................... 29 3.5 Sự phụ thuộc vào hiệu điện thế máng-nguồn linh kiện của 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 CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 47
vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt đầy đủ bằng Chữ viết tắt đầy đủ bằng Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Metal-Oxide-Semiconductor Tranzito hiệu ứng trường kim MOSFET Field-Effect Transistor loại-ôxít-bán dẫn TFET Tunnel Field-Effect Transistor Tranzito trường xuyên hầm VDD Power Supply Voltage Điện áp nguồn cấp SS Subthreshold Swing Độ dốc dưới ngưỡng BTBT 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 EOT Equivalent Oxide Thickness Độ dày ô-xít tương đương tox Oxide Thickness Độ dày lớp ô-xít SOI Silicon On Insulator Silicon trên lớp cách điện Vgs Gate-to-Source Voltage Hiệu điện thế cổng nguồn Lg Channel Length Chiều dài kênh International Technology Dự báo quốc tế về công nghệ ITRS Roadmap for Semiconductors bán dẫn
vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Phác họa đặc tính dòng-thế của MOSFET và TFET…………………….5 Hình 2.1. Chất bán dẫn có (a) vùng cấm trực tiếp và (b) vùng cấm gián tiếp…….12 Hình 3.1. Cấu trúc đặc trưng của (a) MOSFET truyền thống và (b) linh kiện mới TFET sử dụng silicon……………………………………………………….............17 Hình 3.2. Đặc tính dòng-thế của (a) MOSFET và (b) TFET kênh dài…………….18 Hình 3.3. Giản đồ năng lượng của (a) MOSFET và (b) TFET tại các trạng thái tắt và mở ở chiều dài kênh Lg=200 nm. ........................................................................... 19 Hình 3.4. Đặc tính dòng-thế của (a) MOSFET và (b) TFET với chiều dài kênh (Lg) khác nhau. ............................................................................................................. 20 Hình 3.5. Giản đồ năng lượng của (a) MOSFET và (b) TFET tại trạng thái tắt với chiều dài kênh (Lg) khác nhau................................................................................ 21 Hình 3.6. Đặc tính dòng-thế của các TFET với chiều dài kênh (Lg) khác nhau. .... 22 Hình 3.7. Giản đồ năng lượng tại trạng thái tắt của các TFET với chiều dài kênh (Lg) khác nhau. ...................................................................................................... 23 Hình 3.8. Đặc tính dòng-thế của các TFET sử dụng vật liệu ô-xít cực cổng có (a) ε = 9 và (b) ε = 21 với chiều dài kênh (Lg) khác nhau. .................................. 24 Hình 3.9. Giản đồ năng lượng của TFET tại (a) trạng thái mở và (b) trạng thái tắt với điện môi cổng khác nhau. ................................................................................ 25 Hình 3.10. Đặc tính dòng-thế của các TFET với nồng độ máng (a) ND=1019 cm-3 và (b) ND=5×1018 cm-3 có chiều dài kênh (Lg) khác nhau. ........................................... 26 Hình 3.11. Giản đồ năng lượng của các TFET tại trạng thái tắt với nồng độ máng khác nhau. ............................................................................................................. 27 Hình 3.12. Cấu trúc đặc trưng của các TFET với cấu trúc (a) SOI và (b) TFET lưỡng cổng. ........................................................................................................... 28 Hình 3.13. Đặc tính dòng-thế của các TFET với cấu trúc (a) SOI và (b) lưỡng cổng có chiều dài kênh (Lg) khác nhau. .......................................................................... 29 Hình 3.14. Giản đồ năng lượng tại trạng thái tắt của các TFET với cấu trúc khác nhau. ..................................................................................................................... 30
viii Hình 3.15. Đặc tính dòng-thế của các TFET sử dụng vật liệu (a) Si0.7Ge0.3 và (b) Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh (Lg) khác nhau. ......................................................... 31 Hình 3.16. Giản đồ năng lượng tại trạng thái tắt của các TFET sử dụng vật liệu khác nhau. ..................................................................................................................... 32 Hình 3.17. Đặc tính dòng-thế của các TFET ở hiệu điện thế máng-nguồn (a) 0.7V và (b) 0.4V với chiều dài kênh (Lg) khác nhau. ...................................................... 33 Hình 3.18. Giản đồ năng lượng tại trạng thái tắt của các TFET sử dụng hiệu điện thế máng-nguồn khác nhau. ......................................................................................... 34 Hình 4.1. Cấu trúc đặc trưng Si/SiGe TFET………………………………………. 36 Hình 4.2. Đặc tính dòng-thế của các TFET sử dụng cấu trúc Si/Si1-xGex với giá trị x khác nhau…………………………………………………………………………...37 Hình 4.3. Giản đồ năng lượng của các TFET tại trạng thái mở sử dụng cấu trúc Si/Si1-xGex với giá trị x khác nhau…………………………………………………38 Hình 4.4. Cấu trúc đặc trưng của các TFET (a) loại n và (b) loại p sử dụng dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7……………………………………………………… 39 Hình 4.5. Đặc tính dòng-thế của các TFET (a) loại n và (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 năng lượng của các TFET loại n và loại p sử dụng dị chất gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh Lg=10nm tại trạng thái tắt…………... 41 Hình 4.7. Cấu trúc đặc trưng của các TFET (a) loại n và (b) loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7………………………………………………………………... 42 Hình 4.8. Đặc tính dòng-thế của các TFET (a) loại n và (b) loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 với các chiều dài kênh (Lg) khác nhau………………………..43 Hình 4.9. Giản đồ năng lượng của các TFET loại n và loại p sử dụng dị chất liên tục Si/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh Lg=10 nm tại trạng thái tắt…………………… 44
1 TÓM TẮT Tranzito hiệu ứng trường kim loại-ôxít-bán dẫn (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)) hoạt động dựa trên cơ chế khuếch tán nhiệt (thermal diffusion) truyền thống, có độ dốc dưới ngưỡng (subthreshold swing (SS)) từ 60 mV/decade trở lên tại nhiệt độ phòng. Điều này làm hạn chế khả năng thu nhỏ kích thước vật lý và giới hạn việc giảm điện áp nguồn cấp (power supply voltage) của linh kiện MOSFET. Không giống như MOSFET, tranzito trường xuyên hầm (tunnel field-effect transistor (TFET)) hoạt động với cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm (band-to-band-tunneling (BTBT)) của chất bán dẫn; có độ dốc dưới ngưỡng nhỏ hơn 60 mV/decade đã được chứng minh bởi lý thuyết và thực nghiệm. Do đó, TFET thích hợp để sử dụng trong các mạch có công suất tiêu thụ thấp và kích thước nhỏ trong tương lai. Để giải thích, hiểu rõ sự phụ thuộc của hiệu ứng kênh ngắn vào từng tham số và cấu trúc linh kiện TFET, luận văn nghiên cứu bản chất vật lý và phương pháp khắc phục hiệu ứng kênh ngắn (short-channel effect) trong các tranzito trường xuyên hầm sử dụng các tham số vật liệu như điện môi cổng, nồng độ tạp chất cực máng, độ rộng vùng cấm chất bán dẫn, hiệu điện thế máng-nguồn và cấu trúc linh kiện đơn cổng, lưỡng cổng. Đặc biệt, còn tiến hành khảo sát cấu trúc Si/SiGe và hiệu ứng kênh ngắn trong các TFET cấu trúc dị chất Si/SiGe loại p và n. Nhằm giải quyết vấn đề dòng dẫn trong TFET, so sánh khả năng thu nhỏ giữa tranzito trường xuyên hầm loại n và loại p; giải thích nguyên nhân của sự khác biệt đó. Các nghiên cứu này sẽ được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng hai chiều trong phần mềm MEDICI sử dụng mẫu xuyên hầm Kane là mẫu được dùng phổ biến nhất hiện nay để tính tốc độ xuyên hầm. Từ đó cho phép xác định nguyên nhân, cơ chế gây ra hiệu ứng kênh ngắn trong linh kiện TFET nhằm đề xuất ra cấu trúc và 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 thế 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) trong linh kiện đã giúp giải quyết
2 được một thách thức cơ bản của TFET. Mặc dù, sử dụng dị chất Si/SiGe làm cải thiện dòng điện mở trong cả TFET loại n và loại p nhưng khả năng thu nhỏ TFET loại n và loại p khác nhau đáng kể, do sự bất đối xứng trong cấu trúc dị chất Si/SiGe kết hợp với quá trình xuyên hầm không đối xứng trong TFET loại n và loại p. Với khả năng thu nhỏ chiều dài kênh dưới 10 nm, TFET dị chất liên tục loại p là một cấu trúc khả thi để ứng dụng cho mạch có công suất tiêu thụ thấp và kích thước nhỏ trong tương lai.
3 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Khoảng những năm cuối thế kỉ XX, tranzito hiệu ứng trường kim loại-ôxít- bán dẫn (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)) đóng vai trò quan trọng trong công nghệ điện tử, do chúng có thể lắp ráp một cách tối ưu trên một bề mặt và thuận tiện để chế tạo các mạch tích hợp. Vào những năm thập niên 90, linh kiện này được thu nhỏ đến nm, tốc độ làm việc cao, con chíp silicon được chế tạo đại trà một cách thuận tiện và giá thành thấp nên chúng nhanh chóng chiếm vai trò chủ đạo trong công nghệ điện tử cho đến ngày nay. Tuy nhiên, với nền công nghệ ngày càng phát triển, việc đòi hỏi một thiết bị có công suất tiêu thụ thấp và mật độ số tranzito trên một con chíp ngày càng cao là yếu tố then chốt trong thiết kế và chế tạo vi mạnh điện tử hiện đại trong tương lai. Việc thu nhỏ MOSFET xuống dưới 50 nm đã làm tăng công suất hao phí của các thiết bị do dòng rò (leakage current) xuyên hầm tăng [1]. Vậy để đáp ứng cho các mạch có công suất tiêu thụ thấp thì phải hướng đến việc giải quyết dòng rò một các hợp lý khi thu nhỏ MOSFET [2]. Nhưng tất cả các MOSFET đều hoạt động dựa trên nguyên lý của vật lý cổ điển, với cơ chế khuếch tán nhiệt truyền thống. Do đó, khó giảm điện thế nguồn cấp và công suất tiêu thụ do giới hạn 60 mV/decade của độ dốc dưới ngưỡng [3] tại nhiệt độ phòng. Trong khi đó tranzito trường xuyên hầm (tunnel field-effect transistor (TFET)) hiện được xem là loại linh kiện tiềm năng cho các vi mạch tích hợp công suất thấp [4], [5]. Vì linh kiện sử dụng cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm: các electron hóa trị từ vùng hóa trị thực hiện quá trình xuyên hầm qua vùng cấm chất bán dẫn để trở thành một electron tự do trong vùng dẫn [6]. 1.1 Khả năng thu nhỏ của MOSFET truyền thống Để đáp ứng các mạch điện tử có công suất tiêu thụ thấp, cần tiếp tục giảm kích thước của tranzito cùng điện áp nguồn cấp. Các nhà nghiên cứu đã thu được một số lợi ích nhất định trong việc thu nhỏ MOSFET khi khảo sát sự ảnh hưởng của các tham số linh kiện như điện áp, nồng độ pha tạp, kích thước vật lý đến đặc tính hoạt động của MOSFET [7]. Tuy nhiên, ngay cả trong các thuận lợi của việc thu nhỏ MOSFET truyền thống cũng đã gặp không ít những khó khăn để duy trì đặc tính
4 hoạt động tắt-mở (on-off switching) tốt của các linh kiện. Mặc dù trong hơn 30 năm qua ngành công nghiệp điện tử được liên tục hưởng lợi từ các MOSFET, nhưng xu hướng hiện nay chỉ ra rằng MOSFET đang nhanh chóng tiến về cuối thời kì sử dụng bởi một số hạn chế cơ bản như: ảnh hưởng của xuyên hầm lượng tử, sự ngẫu nhiên của pha tạp gián đoạn và công suất hao phí tăng là một trong các yếu tố chính thúc đẩy ngành công nghiệp điện tử thay đổi các MOSFET truyền thống. Các hiện tượng chính của xuyên hầm lượng tử ảnh hưởng đến khả năng thu nhỏ của MOSFET như: xuyên hầm qua vùng cấm, xuyên hầm trực tiếp qua lớp ô-xít và xuyên hầm từ nguồn đến máng. Xuyên hầm qua vùng cấm chủ yếu xảy ra từ kênh đến máng, với nồng độ kênh cao có điện trường nằm ngang lớn làm hạ thấp rào thế tại lớp chuyển tiếp kênh-nguồn. Khi điện trường cao (khoảng 106 V/cm) dòng rò chủ yếu là dòng xuyên hầm của các electron từ vùng hóa trị trong khu vực kênh đến vùng dẫn trong khu vực máng [8], [9]. Trong trường hợp các MOSFET kênh dài, dòng rò xuyên hầm nhỏ hơn hai dòng rò trong trạng thái tắt và dòng rò trực tiếp qua cổng. Như vậy, với chiều dài kênh nhỏ dòng rò cao làm suy giảm đặc tính hoạt động của linh kiện. Theo báo cáo gần đây của ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) năm 2013 cho biết để đạt được dòng mong muốn tại MOSFET có kích thước 50 nm với điện thế nguồn cấp nhỏ, ta phải tích cực giảm điện môi cổng với độ dày ô-xít tương đương (EOT) trong khoảng 0.5-1 nm. Với lớp ô-xít siêu mỏng, hạt dẫn trong kênh có thể xuyên hầm trực tiếp qua cổng, quá trình xuyên hầm qua rào điện môi làm tăng dòng rò theo hàm số mũ khi độ dày lớp ô-xít (tox) giảm [10]. Khi mối nối giữa nguồn và máng gần nhau có thể dẫn đến xuyên hầm từ nguồn đến máng làm tăng dòng rò trong các Tranzito. Dòng xuyên hầm này xảy ra đối với MOSFET có kích thước 10 nm [11]. Với việc sử dụng các cấu trúc và kỹ thuật tiên tiến, MOSFET truyền thống ở thế hệ thứ hai với cấu trúc ba cổng [12] có khả năng thu nhỏ xuống 10 nm trong sản xuất hàng loạt. Nhưng điện thế nguồn cấp cho mạch MOSFET không giảm xuống được tương ứng với kích thước của tranzito để giải quyết triệt để về mật độ công
5 TFET MOSFET Dòng Máng (Id) SS
6 sử dụng cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm có độ dốc dưới ngưỡng nhỏ hơn 60 mV/decade, điều này không chỉ được đưa ra bởi tính toán lý thuyết và mô phỏng mà còn được chứng minh bởi thực nghiệm. Trong đó phải kể đến các TFET sử dụng vật liệu silicon có độ dốc dưới ngưỡng 52,8 mV/decade [15], 46 mV/decade [16] và các TFET sử dụng vật liệu silicon-germani [17], [18]. Với độ dốc dưới ngưỡng nhỏ hơn 60 mV/decade, TFET thích hợp với các mạch có điện áp nguồn cấp và công suất tiêu thụ thấp [19], dòng rò thấp, tỉ số dòng mở trên dòng tắt (off-current) cao [20], [21] và một số thuận lợi khác. 1.3 Mục tiêu của luận văn Mặc dù cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm trong chất bán dẫn của linh kiện TFET đã được phát hiện trong khoảng thời gian khá dài, nhưng TFET chưa được đưa vào áp dụng trong công nghệ điện tử khi MOSFET vẫn còn khả năng thu nhỏ kích thước vật lý và điện áp nguồn cấp. TFET chỉ thực sự được quan tâm trong khoảng 10 năm gần đây khi các MOSFET đang tiến đến giới hạn thu nhỏ chiều dài kênh và điện thế hoạt động. Với thời gian phát triển tương đối ngắn TFET gặp không ít những khó khăn, dù TFET có điện áp nguồn cấp nhỏ nhưng dòng điện mở của TFET rất nhỏ so với dòng điện mở của MOSFET [22], [23]. Do vậy, trước khi đưa TFET vào ứng dụng trong thực tiễn ta cần giải quyết triệt để những thách thức mà linh kiện gặp phải. Vấn đề trước tiên đó là: làm sao để giảm điện thế nguồn cấp nhưng dòng điện mở của linh kiện vẫn lớn. Như ta đã biết, với cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm, xác suất xuyên hầm phụ thuộc mạnh vào độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn. Do đó các nhà nghiên cứu đã liên tục phát triển và đưa ra các cấu trúc linh kiện khác nhau để giải quyết những thách thức của TFET như: làm tăng dòng điện mở bằng cách sử dụng vật liệu SiGe có độ rộng vùng cấm nhỏ, sử dụng cấu trúc dị chất Si/SiGe để làm tăng dòng điện mở đồng thời giảm dòng rò lưỡng cực [17], [24]…Ngoài vấn đề giảm công suất tiêu thụ việc thu nhỏ linh kiện cũng rất quan trọng, vì thế các nhà khoa học đã nghiên cứu lựa chọn ra các tham số thích hợp để giảm chiều dài kênh mà không làm ảnh hưởng đến đặc tính tắt-mở của linh kiện như: hằng số điện môi
7 cổng cao [25], [26]; nồng độ pha tạp nguồn-máng [27], [28]; cấu trúc linh kiện SOI (silicon on insulator) và cấu trúc lưỡng cổng (double-gate) [29]… TFET được đánh giá là loại linh kiện có công suất tiêu thụ thấp. Tuy nhiên, để giảm kích thước vật lý của TFET ứng với chiều dài kênh xuống dưới 30 nm cũng gặp không ít những khó khăn vì hiệu ứng kênh ngắn làm ảnh hưởng xấu đến đặc tính tắt-mở của linh kiện. Như vậy, nhằm xác định được các nguyên nhân cũng như cơ chế gây ra hiệu ứng kênh ngắn trong TFET, luận văn này sẽ tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của hiệu ứng kênh ngắn trong mỗi loại TFET vào tham số linh kiện và vật liệu như bề dày ô-xít, nồng độ tạp chất cực máng, độ rộng vùng cấm chất bán dẫn, cấu trúc linh kiện đơn cổng và lưỡng cổng. Các khảo sát này sẽ giúp hiểu rõ cơ chế vật lý và cách thiết kế tham số, cấu trúc thích hợp để giảm thiểu hiệu ứng kênh ngắn trong linh kiện TFET. Ngoài ra, tăng cường dòng dẫn cho TFET cũng là một yếu tố quan trọng hàng đầu trước khi đưa linh kiện vào ứng dụng trong thực tế. Việc sử dụng vật liệu có độ rộng vùng cấm nhỏ làm tăng dòng điện mở cho linh kiện nhưng dòng rò lớn gây ảnh hưởng xấu đến đặc tính hoạt động của TFET. Do vậy, cấu trúc dị chất Si/SiGe TFET sẽ được nghiên cứu để hướng tới việc tăng dòng dẫn đồng thời giảm dòng rò cho linh kiện. Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng: linh kiện TFET loại p sử dụng cấu trúc dị chất liên tục Si/SiGe với chiều dài kênh dưới 10 nm đã thu được đặc tính tắt-mở tốt [30]. Như vậy, một vấn đề mới được đặt ra là: khả năng thu nhỏ của TFET loại n sử dụng cấu trúc dị chất Si/SiGe sẽ như thế nào? Luận văn này sẽ giải quyết vấn đề nêu trên bằng cách so sánh khả năng thu nhỏ của TFET hoạt động ở hai chế độ loại n và loại p trong cấu trúc chuyển tiếp dị chất gián đoạn và liên tục (abrupt and graded heterojunction) Si/SiGe của linh kiện TFET. Từ đó, tìm ra sự khác biệt về hiệu ứng kênh ngắn giữa các TFET và giải thích nguyên nhân vật lý gây ra sự khác biệt đó. Luận văn gồm 4 chương, bao gồm phần giới thiệu (chương 1) và kết luận. Chương 2 giới thiệu phương pháp mô phỏng gồm phần mềm mô phỏng, cơ chế xuyên hầm của điện tử trong bán dẫn trực tiếp và bán dẫn gián tiếp, tóm tắt mẫu vật lý Kane để ước tính xác suất xuyên hầm của các electron qua vùng cấm trong
8 chất bán dẫn và trình bày quá trình mô phỏng linh kiện. Chương 3 trình bày cơ chế của hiệu ứng kênh ngắn trong TFET và nghiên cứu một cách có hệ thống sự phụ thuộc của hiệu ứng kênh ngắn vào các tham số linh kiện như: điện môi cổng, nồng độ pha tạp cực máng, độ rộng vùng cấm trong chất bán dẫn, cấu trúc đơn cổng và cấu trúc lưỡng cổng của linh kiện, điện thế cực máng…Qua việc khảo sát này, ta đã thu được các tham số thích hợp để giảm thiểu hiệu ứng kênh ngắn trong linh kiện TFET. Trong chương 4, hiệu ứng kênh ngắn trong các TFET với cấu trúc dị chất Si/SiGe loại n và p sẽ được khảo sát để làm sáng tỏ về cơ chế hoạt động, đặc tính và thiết kế linh kiện TFET sử dụng cấu trúc dị chất.
9 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Các nhà khoa học đã tiến hành làm sáng tỏ tính chất vật lý và thiết lập mô hình xuyên hầm ứng với điện trường đồng nhất và điện trường không đồng nhất [31], [32] của cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm hay còn gọi là xuyên hầm Zener. Luận văn thực hiện mô phỏng hai chiều đặc tính điện của TFET để so sánh sự khác nhau về cơ chế hoạt động và tính chất vật lý trong hiệu ứng kênh ngắn. Chương trình mô phỏng được viết trong phần mềm MEDICI, là một phần mềm có thể mô phỏng được trạng thái của các linh kiện như MOS, tranzito lưỡng cực và linh kiện bán dẫn khác bằng cách giải một số phương trình trong không gian thích hợp. Thông thường để giải các phương trình Poisson, phương trình Boltzmann bằng phương pháp giải tích là một điều bất khả thi vì khi đó phải giải một hệ phương trình tuyến tính cực lớn với rất nhiều phương trình và nhiều ẩn. Do vậy để đơn giản và hiệu quả, các phương pháp mô phỏng sẽ được thực hiện trong không gian 2 chiều. Nhằm rút ra các tính chất vật lý và cơ chế hiệu ứng kênh trong linh kiện TFET một cách chính xác và dễ dàng, mẫu lượng tử hai kênh của Kane sẽ được sử dụng bởi mẫu này dùng được trong cả chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp và vùng cấm gián tiếp lại cho ra kết quả tương đối chính xác. Trong chương này ngoài việc giới thiệu phần mềm mô phỏng MEDICI, trình bày cơ chế và so sánh quá trình chuyển dịch của điện tử trong chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp và gián tiếp, mẫu xuyên hầm, còn tóm tắt phương pháp mô phỏng linh kiện trong phần mềm mô phỏng MEDICI hai chiều. 2.1 Phần mềm mô phỏng MEDICI là một trong số phần mềm mô phỏng linh kiện bán dẫn tốt và phổ biến hiện nay cho phép mô phỏng trạng thái điện của các linh kiện như MOS, tranzito lưỡng cực…Chương trình mô phỏng trong MEDICI tiến hành giải tự hợp các phương trình Poisson, phương trình liên tục, phương trình Boltzmann để phân tích linh kiện và một số hiệu ứng xảy ra. Ngoài ra, một số mẫu vật lý được đưa vào chương trình mô phỏng để thu được kết quả chính xác như mẫu tái tổ hợp, mẫu xuyên hầm qua vùng cấm… Nhằm đưa ra các đặc tính điện của linh kiện TFET gồm: thế năng, mật độ hạt
10 dẫn, dòng điện…các mô phỏng hai chiều dùng trong phần mềm MEDICI [33] sẽ được sử dụng với các mẫu và tham số vật lý thích hợp cho từng loại vật liệu. Trong đó, sự phân bố thế năng ở linh kiện có thể được xác định bằng việc giải phương trình Poisson sau:  2   q  p  n  N D  N A    S , (2.1) để giải phương trình Poisson thì các đại lượng như: hằng số điện môi tĩnh trong chất bán dẫn (  ), toán tử Plapce (  ), mật độ lỗ trống và điện tử (p và n), nồng độ tạp chất bị ion hóa ( N A , N D ) và mật độ điện tích bề mặt ( S ) cần được xác định. Với việc giải phương trình liên tục dưới đây cho phép thu được mật độ hạt dẫn (điện tử và lỗ trống) ở công thức (2.1) trong linh kiện tranzito: n 1   J n   U n  G n   Fn  ,n,p  , (2.2) t q p 1   J p   U p  G p   Fp  ,n,p  , (2.3) t q trong phần mềm MEDICI:  được định nghĩa là thế Fec-mi nội; nghĩa là   int , Un và Up theo thứ tự là tốc độ tái tổ hợp của mật độ điện tử và lỗ trống; Gn và Gp là   tốc độ phát sinh của mật độ điện tử và lỗ trống, J n và J p là mật độ dòng trôi của điện tử và lỗ trống. Mặt khác, theo nguyên lý vận chuyển Boltzmann, mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống trong công thức (2.2) và (2.3) được xác định bằng các phương trình:   J n   q  nn   n , (2.4)   J p   q  pp  p , (2.5) với n , p là thế giả Fermi của điện tử và lỗ trống. Ngoài ra, mật độ dòng của điện tử và lỗ trống còn được cho bởi:    J n  q nn E n  nD n n , (2.6)    J p  q  p pE p  qD p p , (2.7)
11 trong đó n và  p là độ linh động của điện tử và lỗ trống; Dn và Dp là hiệu suất khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Như vậy, trong MEDICI các phương trình Poisson, phương trình liên tục, phương trình vận chuyển Boltzmann có mối liên hệ chặt chẽ với nhau và được giải tự hợp để thu được các đại lượng cần thiết khi mô phỏng đặc tính điện trong linh kiện. 2.2 Mẫu vật lý trong mô phỏng Mặc dù Si1-xGex là vật liệu bán dẫn có cả vùng cấm gián tiếp và vùng cấm trực tiếp nhưng dòng điện dẫn trong TFET sử dụng vật liệu Si1-xGex chủ yếu là dòng xuyên hầm gián tiếp. Khi nồng độ Ge nhỏ (giá trị x nhỏ) độ rộng vùng cấm gián tiếp khác rõ rệt so với độ rộng vùng cấm trực tiếp [34]. Khi nồng độ Ge lớn hơn 80% (x>0.8) thì dòng xuyên hầm của TFET chủ yếu là dòng xuyên hầm trực tiếp [35]. Trong luận văn này, vật liệu bán dẫn được sử dụng là silicon và Si1-xGex với giá trị x thay đổi trong khoảng x≤0.7, dòng dẫn chủ yếu là do sự đóng góp của số điện tử trong xuyên hầm gián tiếp. Cơ chế xuyên hầm gián tiếp sẽ đóng góp chính tới dòng điện dẫn trong các Si/SiGe TFET. Do đó, trước khi phân tích mẫu xuyên hầm gián tiếp của Kane được sử dụng [6] trong phần mềm mô phỏng MEDICI, ta đi giải thích và so sánh cơ chế chuyển dịch của điện tử trong vật liệu bán dẫn có vùng cấm trực tiếp và vùng cấm gián tiếp. 2.2.1 Cơ chế chuyển dịch của điện tử trong chất bán dẫn Sự chuyển dịch của điện tử có hướng thẳng đứng trong không gian k được gọi là chuyển dịch quang học. Trong bán dẫn có vùng cấm trực tiếp (hình 2.1a) hay bán dẫn có vùng cấm thẳng là bán dẫn mà vùng cấm của nó có đỉnh cực đại của vùng hóa trị và đáy cực tiểu của vùng dẫn nằm trên cùng một giá trị của số sóng k. Như vậy các chuyển dịch quang học trong vùng cấm trực tiếp tuân theo đúng định luật bảo toàn năng lượng (Ec-Ev=h  ) và định lật bảo toàn xung lượng với véc-tơ sóng trước và sau tương tác của điện tử bằng nhau (kf=ki). Nếu điện tử từ mức năng lượng cao nhất của vùng hóa trị Ev được cấp một năng lượng đúng bằng năng lượng vùng cấm Eg thì chỉ năng lượng thay đổi còn xung lượng vẫn được bảo toàn. Hiện tượng bức xạ và hấp thụ phonon dễ dàng được thực hiện trong chất bán dẫn có vùng