Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu vật lý linh kiện và thiết kế transistor hiệu ứng trường xuyên hầm có cấu trúc pha tạp đối xứng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nhằm nghiên cứu vật lý linh kiện và khảo sát thiết kế các TFET có cấu trúc pha tạp đối xứng. Cụ thể, đề tài đề xuất nghiên cứu chi tiết TFET pha tạp đối xứng dựa trên xuyên hầm điểm, giải thích khả năng tăng dòng dẫn và giảm dòng rò lưỡng cực của cấu trúc TFET được nghiên cứu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu vật lý linh kiện và thiết kế transistor hiệu ứng trường xuyên hầm có cấu trúc pha tạp đối xứng

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Trần Thị Kim Anh NGHIÊN CỨU VẬT LÝ LINH KIỆN VÀ THIẾT KẾ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG XUYÊN HẦM CÓ CẤU TRÚC PHA TẠP ĐỐI XỨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Khánh Hòa – 2020
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Trần Thị Kim Anh NGHIÊN CỨU VẬT LÝ LINH KIỆN VÀ THIẾT KẾ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG XUYÊN HẦM CÓ CẤU TRÚC PHA TẠP ĐỐI XỨNG Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số: 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Nguyễn Đăng Chiến Khánh Hòa – 2020
Lời cam đoan Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.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 về lời cam đoan này. Khánh Hòa, tháng 07 năm 2020 Học viên thực hiện Trần Thị Kim Anh
Lời cảm ơn Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Đăng Chiến. Thầy giáo không chỉ là người hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn mà còn là người người cổ vũ, động viên tôi trong suốt thời gian làm luận văn; giúp tôi vượt qua những lúc nản lòng vì những khó khăn trong công việc và cuộc sống. Người đã truyền cho tôi sự lạc quan, lòng đam mê khoa học, tinh thần học hỏi không ngừng. Tôi xin cảm ơn tất cả các thầy giáo, cô giáo, cùng với tất cả các cô, chú, anh, chị ở Viện Khoa Học Hàn Lâm Việt Nam – Học Viện Khoa Học và Công Nghệ Hà Nội, Viện Nghiên Cứu và Ứng Dụng Công Nghệ Nha Trang, Trường Đại Học Đà Lạt luôn giúp đỡ nhiệt tình và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn Sở Giáo dục – Đào tạo Khánh Hòa, Ban giám hiệu và các thầy cô trong tổ Vật lý trường THPT Trần Cao Vân đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các bạn học viên cùng nhóm nghiên cứu (Huỳnh Thị Hồng Thắm và Nguyễn Văn Hào), cùng tất cả các anh, chị, em học viên cao học lớp PHY18, khóa: 2018 – 2020 đã luôn đồng hành, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Và sau cùng, tôi xin dành những tình cảm đặc biệt và biết ơn của mình đến những người thân trong gia đình. Bằng tình cảm thân thương với sự cảm thông, sự quan tâm và chia sẻ, đã cho tôi nghị lực và tinh thần để hoàn thành công việc nghiên cứu của mình. Đó là nguồn sức mạnh tinh thần giúp tôi vươn lên trong cuộc sống. Kính chúc tất cả quý thầy cô, gia đình, bạn bè sức khỏe và thành công! Khánh Hòa, tháng 07 năm 2020 Học viên thực hiện Trần Thị Kim Anh
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Chữ viết Chữ viết đầy đủ bằng Tiếng Chữ viết đầy đủ bằng Tiếng tắt Anh Việt BJT Bipolar Junction Transistor Transistor tiếp xúc lưỡng cực BTBT Band-To-Band-Tunneling Xuyên hầm qua vùng cấm DG-TFET Double – Gate TFET TFET lưỡng cổng Drain Induced Barrier Hiệu ứng làm mỏng hàng rào DIBL Lowering gây ra ở cực máng EOT Equivalent Oxide Thickness Độ dày lớp oxit tương đương HGD Hetero-Gate-Dielectric Điện môi cực cổng dị chất Ionization Metal-Oxide- Trường kim loại-oxit-bán dẫn IMOS Semiconductor ion hóa Jave Current Density Mật độ dòng Complementary Metal-Oxide- Công nghệ kim loại oxit bán MOS Semiconductor dẫn Metal-Oxide-Semiconductor Transistor trường kim loại- MOSFET Field Effect Transistor oxit-bán dẫn Chất bán dẫn trên một lớp SOI Semiconductor-On-Insulator cách điện SS Subthreshold Swing Độ dốc dưới ngưỡng Symmetric Tunnel Field- Transistor trường xuyên hầm STFET Effect Transistor đối xứng
STT Surface-Tunnel-Transistor Transistor xuyên hầm bề mặt Symmetric U-Shaped Gate Transistor trường xuyên hầm SUTFET Tunnel Field-Effect Transistor đối xứng cổng chữ U Transistor hiệu ứng xuyên TFET Tunnel Field-Effect Transistor hầm TSi Silicon Thickness Độ dày lớp Silicon
Danh mục các hình vẽ Hình 1.1. Phác họa cấu trúc của MOSFET (a) loại n và (b) loại p. ............... 08 Hình 1.2. Phác họa cấu trúc của TFET (a) loại n và (b) loại p. ..................... 11 Hình 1.3. Minh họa đặc tính dòng thế cho thấy độ dốc dưới ngưỡng của TFET nhỏ hơn độ dốc dưới ngưỡng của MOSFET. ....................................... 13 Hình 1.4. Phác họa cấu trúc của TFET có cấu trúc pha tạp đối xứng (STFET)….. .................................................................................................... 16 Hình 2.1. Giản đồ năng lượng gần mức Fermi cho chất bán dẫn (a) có vùng cấm trực tiếp và (b) có vùng cấm gián tiếp………………………………….20 Hình 2.2. Quá trình xuyên hầm của một electron qua hàng rào thế (a) hình chữ nhật và (b) không phải hình chữ nhật. ..................................................... 22 Hình 3.1. Phác họa sơ đồ cấu trúc TFET (a) pha tạp không đối xứng và (b) pha tạp đối xứng. ............................................................................................. 37 Hình 3.2. (a) Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dòng mở (ION) và mật độ dòng trung bình (Jave) vào độ dày của lớp Si và (b) ảnh hưởng của độ dày thân đến hiệu ứng giam giữ lượng tử trong TFET thân mỏng. ............................... 39 Hình 3.3. Đặc tính dòng-thế của TFET có cấu trúc pha tạp đối xứng và không đối xứng sử dụng vật liệu Si (a) theo thang đo logaric và (b) theo thang đo tuyến tính. ........................................................................................................ 40 Hình 3.4. Giản đồ năng lượng theo phương ngang ở trạng thái mở và trạng thái tắt của TFET (a) pha tạp không đối xứng và (b) pha tạp đối xứng. ........ 42 Hình 3.5. Biểu diễn đặc tính dòng-thế của TFET dựa trên Ge có vùng cấm thấp (Ge-TFET) có cấu trúc (a) pha tạp không đối xứng và (b) pha tạp đối xứng… ............................................................................................................. 44 Hình 3.6. Giản đồ vùng năng lượng ở trạng thái tắt của TFET (a) pha tạp không đối xứng và (b) pha tạp đối xứng. ........................................................ 46
Hình 3.7. (a) Biểu diễn các đường xuyên hầm trực tiếp và gián tiếp trong Ge- TFET và (b) đặc tính dòng-thế của TFET pha tạp đối xứng dựa trên Ge với khoảng cách cổng-máng khác nhau. ............................................................... 48 Hình 3.8. Giản đồ năng lượng của Ge-TFET đối xứng ở trạng thái tắt với khoảng cách từ cực máng đến cực cổng khác nhau (a) Ldg=40 nm và (b) Ldg=70 nm........................................................................................................ 50 Hình 3.9. (a) Biểu diễn đặc tính dòng-thế và (b) giản đồ năng lượng của TFET pha tạp đối xứng với chiều rộng chuyển tiếp cực máng (Wd) khác nhau .. ....................................................................................................................... 52 Hình 3.10. (a) Cấu hình điện trường và (b) giản đồ năng lượng trong TFET ở trạng thái tắt khi chiều rộng chuyển tiếp cực máng khác nhau....................... 53 Hình 3.11. Hiển thị (a) đặc tính dòng-thế của TFET đối xứng và (b) độ dốc dưới ngưỡng trung bình với khoảng cách theo phương ngang khác nhau từ 0 đến 40 nm ........................................................................................................ 55 Hình 3.12. Giản đồ năng lượng ở trạng thái dưới ngưỡng dọc theo đường ngắn nhất từ nguồn đến máng và cách xa cổng nhất của TFET đối xứng với Lh khác nhau......................................................................................................... 57 Hình 3.13. Đặc tính (a) dòng-thế và (b) giản đồ năng lượng của TFET đối xứng với các chiều dài cổng khác nhau. ......................................................... 59 Hình 3.14. (a) Cấu trúc TFET chữ Y và (b) đặc tính dòng-thế trong TFET chữ Y ...................................................................................................................... 61 Hình 3.15. Quy trình chế tạo TFET chữ Y ..................................................... 62
1 MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................... 01 MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 03 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU...................................................... 05 1.1. GIỚI THIỆU VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ................................................ 05 1.2. TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG XUYÊN HẦM ......................... 10 1.3. TFET CÓ CẤU TRÚC PHA TẠP ĐỐI XỨNG ..................................... 16 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ PHẦN MỀN MÔ PHỎNG.......... 19 2.1 MÔ HÌNH XUYÊN HẦM QUA VÙNG CẤM CỦA KANE ................. 19 2.1.1 Cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm ................................................... 19 2.1.2 Mô hình Kane cho xuyên hầm qua vùng cấm ............................... 24 2.1.3 Thông lượng của electron ................................................................ 28 2.1.4 Tốc độ xuyên hầm ............................................................................ 29 2.2 PHẦN MỀN MÔ PHỎNG MEDICI ........................................................ 32 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 35 3.1. CẤU TRÚC LINH KIỆN VÀ CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG ......................... 36 3.2. NÂNG CAO ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA TFET ĐỐI XỨNG ....... 43 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp máng ......................................... 43 3.2.2. Ảnh hưởng của khoảng cách từ cực máng đến lớp oxit cổng ..... 47 3.3. HIỆU ỨNG CHUYỂN TIẾP CỰC MÁNG HẸP .................................... 51 3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA KHOẢNG CÁCH MÁNG-NGUỒN .................... 54 3.5. HIỆU ỨNG CỰC CỔNG NGẮN ............................................................ 57 3.6. CẤU TRÚC CHỮ Y ................................................................................ 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 64 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ……….65
2 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 66
3 MỞ ĐẦU Nhờ hoạt động dựa trên cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm chất bán dẫn, đặc tính tắt-mở của transistor hiệu ứng trường xuyên hầm có độ dốc dưới ngưỡng rất lớn mà có thể vượt qua giá trị giới hạn vật lý 60 mV/decade của MOSFET truyền thống. Nhờ có độ dốc dưới ngưỡng nhỏ hơn 60 mV/decade rất nhiều (ở nhiệt độ phòng), transistor hiệu ứng trường xuyên hầm có tiềm năng lớn để được ứng dụng cho các vi mạch công suất thấp. Một trong các hạn chế của TFET là nó có cấu trúc pha tạp bất đối xứng. Điều này có thể gây ra một số vấn đề phức tạp hơn khi thiết kế và chế tạo so với MOSFET. Do đó, việc đề xuất và nghiên cứu các TFET có cấu trúc pha tạp đối xứng sao cho vẫn duy trì hoặc thậm chí cải thiện thêm đặc tính hoạt động của chúng là rất cần thiết. Luận văn nhằm nghiên cứu vật lý linh kiện và khảo sát thiết kế các TFET có cấu trúc pha tạp đối xứng. Cụ thể, đề tài đề xuất nghiên cứu chi tiết TFET pha tạp đối xứng dựa trên xuyên hầm điểm, giải thích khả năng tăng dòng dẫn và giảm dòng rò lưỡng cực của cấu trúc TFET được nghiên cứu. Nghiên cứu cũng khảo sát các hiệu ứng mới chỉ có trong cấu trúc TFET pha tạp đối xứng được đề xuất như hiệu ứng cực cổng ngắn, hiệu ứng chuyển tiếp cực máng hẹp. Trên cơ sở đó, đề tài cũng đề xuất thiết kế tối ưu cho các tham số cấu trúc linh kiện và mở rộng sang áp dụng cơ chế xuyên hầm đường cho TFET pha tạp đối xứng. Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các transistor hiệu ứng trường xuyên hầm có cấu trúc pha tạp đối xứng. Vật liệu sử dụng gồm cả silicon và germanium nhằm chứng minh tính khả thi của cấu trúc cho cả vật liệu vùng cấm lớn (Si) và vật liệu vùng cấm nhỏ (Ge). Các nghiên cứu về vật lý, bao gồm các cơ chế và hiệu ứng, và thiết kế linh kiện được thực hiện trong khuôn khổ của TFET dựa trên xuyên hầm điểm đặc trưng. Các kết quả đó vẫn hoàn toàn có thể áp dụng khi mở rộng ứng dụng xuyên hầm đường vào trong TFET pha tạp đối xứng. Các nghiên cứu được dựa trên mô phỏng đặc tính điện cho cấu trúc hai chiều của linh kiện TFET. Mô phỏng hai chiều được thực hiện
4 dựa trên phần mềm mô phỏng MEDICI đã được phát triển và thương mại hóa bởi công ty Synopsys của Hoa Kỳ. Đề tài giúp hiểu rõ cơ chế giúp nâng cao đặc tính điện của TFET nhờ cấu trúc pha tạp đối xứng cũng như các hiệu ứng mới không có tương tự như trong TFET bất đối xứng đặc trưng. Dựa trên các hiểu biết đó cho phép thiết kế phù hợp các linh kiện có cấu trúc pha tạp đối xứng, gồm cả TFET dựa trên xuyên hầm điểm và đường, nhằm cải thiện đặc tính tắt-mở của TFET một cách tối ưu.
5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU Trong một thời gian dài, MOSFET được xem là linh kiện quan trọng trong các vi mạch điện tử vì kích thước nhỏ và tốc độ làm việc cao. Tuy nhiên, kỹ thuật điện tử hiện đại ngày nay đòi hỏi cần có sự tích hợp và nâng cao hiệu suất cho các vi mạch. Vậy nên, số lượng các transistor trong vi mạch tăng lên rất nhiều và do đó kích thước của transistor phải được thu nhỏ. MOSFET hoạt động dựa trên cơ chế phát xạ nhiệt truyền thống nên gặp phải giới hạn về độ dốc dưới ngưỡng và chịu ảnh hưởng của hiệu ứng kênh ngắn. Mặc dù đã được áp dụng nhiều kỹ thuật tiên tiến nhưng những khó khăn mà MOSFET đang phải đối mặt vẫn không thể thay đổi. Với cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm, TFET đã khắc phục những hạn chế vật lý của MOSFET. Vì vậy, TFET là linh kiện điện tử được xem là lựa chọn hoàn hảo thay thế cho MOSFET. Tuy nhiên, cơ chế xuyên hầm cũng là lý do khiến dòng mở trong TFET nhỏ hơn rất nhiều so với MOSFET truyền thống. Việc nâng cao dòng mở cho TFET có thể được thực hiện bằng cách thay đổi cấu trúc cổng và thân linh kiện. Vì vậy trong chương này, luận văn sẽ tìm hiểu về sự ra đời, hoạt động cũng như ưu điểm và nhược điểm của MOSFET và TFET. Bên cạnh đó, luận văn cũng đồng thời giới thiệu về cấu trúc TFET mới giúp cải thiện dòng mở của linh kiện. 1.1. GIỚI THIỆU VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Sự phát triển của ngành linh kiện điện tử đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác. Theo báo cáo chuyên sâu ngành linh kiện điện tử Việt Nam trên các trang viracresearch.com, vietnamnet.vn và investvietnam.gov.vn, từ năm 2010 đến nay ngành công nghiệp sản xuất các linh kiện điện tử phát triển rất nhanh và chiếm tỷ trọng cao trong toàn ngành công nghiệp. Giá trị sản xuất công nghiệp của ngành linh kiện điện tử trong 9 tháng đầu năm 2018 ước đạt khoảng 113,115 tỷ đồng tăng 1,7% so với cùng kỳ năm 2017 do doanh số bán ra các loại chip, linh kiện điện tử vẫn tiếp tục tăng trưởng dẫn đến đẩy mạnh sản xuất linh kiện điện tử ở Việt Nam để sản xuất các loại chip, chất bán dẫn và bộ xử lý di
6 động. Giá trị tiêu thụ của ngành linh kiện điện tử 9 tháng đầu năm 2018 đạt 329,447 tỷ VND tăng mạnh 28,4% so với cùng kỳ năm 2017 do nhu cầu linh kiện điển tử ngày càng tăng cao của các tập đoàn đa quốc gia tại Việt Nam. Vì thế Việt Nam đang dần trở thành công xưởng sản xuất và lắp ráp linh kiện điện tử cung cấp các linh kiện điện tử và các thiết bị điện tử phục vụ trong nước và xuất khẩu ra thế giới. Theo Quy hoạch công nghiệp Việt Nam đến năm 2020 tầm nhìn 2030 đưa ra mục tiêu về tăng trưởng, giá trị sản xuất công nghiệp ngành điện tử, công nghệ thông tin rất cao, giai đoạn đến năm 2020 đạt 17-18%/năm, giai đoạn đến năm 2030 đạt 19-21%. Do sự phát triển của các ngành công nghiệp khác đòi hỏi ngành công nghiệp linh kiện điện tử ngày càng được cải tiến, sử dụng các kỹ thuật, các linh kiện điện tử tinh vi hơn. Hiện nay các linh kiện điện tử được sử dụng rất phổ biến và là linh kiện quan trọng được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp khác đặc biệt là ngành công nghệ thông tin. Nếu không có sự xuất hiện của các linh kiện điện tử thì xã hội sẽ không thể phát triển theo hướng công nghiệp hóa - hiện đại hóa. Vì thế linh kiện điện tử đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển xã hội. Về lịch sử phát triển của linh kiện điện tử, trước năm 1945, trên thế giới chỉ mới bắt đầu sử dụng những linh kiện điện tử thô sơ, cồng kềnh và rất đắt tiền. Vì thế những máy móc, thiết bị sử dụng trong ngành công nghiệp đối với các nước phát triển rất cồng kềnh và chiếm diện tích. Do linh kiện điện tử lúc này rất ít phổ biến vì thế những nước chưa phát triển các thiết bị phục vụ cho công nghiệp rất hạn chế và chủ yếu là phát triển theo hướng thủ công nghiệp. Sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo linh kiện điện tử chỉ thực sự được quan tâm từ ngày 16/12/1947, khi ba nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm Bell Labs gồm John Bardeen, William Bradford Shockley và Walter Houser Brattain tuyên bố sáng chế thành công linh kiện điện tử mang tên “transistor”. Chiếc transistor đầu tiên được chế tạo bằng Gemanium có các cực là những tiếp xúc điểm và được ứng dụng trong các đài bán dẫn. Sau phát minh này, các nhà nghiên cứu đã phát minh ra các loại transistor với nhiều tính năng hơn và tiên tiến hơn.
7 Năm 1950, Shockley đã phát minh ra transistor tiếp xúc lưỡng cực (bipolar junction transistor (BJT)), đây là sự kết hợp của hai điôt tín hiệu riêng lẻ ngược lại, điều này sẽ cho chúng ta hai lớp tiếp xúc PN được kết nối với nhau theo chuỗi một đầu nối P hoặc N chung. Sự hợp nhất của hai điôt này tạo ra ba lớp chuyển tiếp là cơ sở tạo nên BJT. BJT được làm từ các loại bán dẫn khác nhau có thể làm việc như một chất cách điện hoặc dây dẫn bằng cách cung cấp lên nó một điện áp. Khả năng thay đổi giữa hai trạng thái của BJT làm cho nó có hai chức năng đó là “chuyển mạch” hoặc “khuếch đại”. Vì thế BJT là transistor đầu tiên được ứng dụng cho các mạch khuếch đại dòng, khuếch đại thế và khuếch đại tín hiệu công suất. Như vậy các nhà nghiên cứu đã tạo ra các transistor với nhiều tính năng hơn, song các transistor vẫn chiếm diện tích lớn nên các thiết bị bán dẫn vẫn có kích thước lớn, vì thế đòi hỏi cần nghiên cứu tìm ra các transistor nhỏ hơn, tinh vi hơn hoặc tìm cách làm giảm diện tích chiếm không gian của các linh kiện trong thiết bị để thiết bị được thu nhỏ hơn, gọn hơn. Vào năm 1958, J. Kilby phát minh ra mạch tích hợp đầu tiên với ý tưởng về việc tích hợp các linh kện điện tử như: điện trở, transistor, condenser lại với nhau trên một bản mạch. Mạch tích hợp ra đời tạo tiền đề cho việc nghiên cứu tạo ra các transistor nhiều hơn trên một không gian nhất định, các transistor có thể được chế tạo dễ hơn, nhỏ hơn nhằm phát triển, nhân rộng số lượng transistor để nó có thể phổ biến hơn trên thị trường thế giới, đồng thời tiết kiệm nguyên vật liệu và thiết bị bán dẫn có kích thước nhỏ hơn. Năm 1926 với ý tưởng về việc điều khiển dòng trong linh kiện điện tử bởi điện trường vuông góc với dòng điện tích nhờ điện thế cổng đã được Juilius Lilienfeld phát hiện ra nhưng trong thời gian này công nghệ để chế tạo nên chiếc transistor như vậy là không thể. Đến năm 1960, D. Kang và M. Atalla đã báo cáo về transistor trường kim loại-oxit-bán dẫn (metal-oxide- semiconductor field effect transistor (MOSFET)) [1] và đến năm 1962 đã chế tạo được MOSFETđầu tiên. Công nghệ MOSFET lúc này là trung tâm của các vi mạch. MOSFET có những ưu điểm như: dễ chế tạo và được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng mạch tích hợp do kích thước tương đối nhỏ, hàng triệu linh kiện điện tử có thể được tạo ra trên một vi mạch.
8 (a) (b) Hình 1.1. Phác họa cấu trúc của MOSFET (a) loại n và (b) loại p. MOSFET là một linh kiện được tạo thành chủ yếu bởi phần kim loại– oxit–chất bán dẫn và có cấu trúc đơn giản gồm ba điện cực như được phác họa trong hình 1.1. Điện cực cổng nằm ở phía trên, bên dưới điện cực cổng có lớp oxit; hai điện cực nguồn và máng nằm ở hai bên của cực cổng và được pha tạp cùng loại; vùng kênh là vùng dưới lớp oxit giữa cực nguồn và cực máng; phía dưới vùng kênh và hai điện cực nguồn và máng là thân của MOSFET, thân được pha tạp với nồng độ nhỏ và khác loại với hai cực nguồn
9 và cực máng. Dựa vào loại pha tạp của hai điện cực nguồn và máng MOSFET được chia ra làm hai loại là MOSFET kênh n và MOSFET kênh p. MOSFET kênh n có cực nguồn và máng được pha tạp nồng độ cao với chất bán dẫn loại n và thân được pha tạp loại p nồng độ thấp. Ngược lại, MOSFET kênh p có cực nguồn và máng được pha tạp nồng độ cao với chất bán dẫn loại p và thân được pha tạp loại n nồng độ thấp. Đối với MOSFET kênh n, khi đặt điện thế dương vào điện cực cổng, trong lớp oxit sẽ xuất hiện một điện trường thẳng đứng, điện trường này xuyên qua lớp bán dẫn và nếu điện trường đủ lớn thì dưới lớp oxit sẽ xuất hiện một lớp điện tử gọi là vùng kênh. Khi đặt điện áp giữa cực máng và cực nguồn thì lớp điện tử sẽ chuyển động từ nguồn qua kênh đến máng. Đối với MOSFET kênh p thì ngược lại, dòng dịch chuyển là lỗ trống. Vậy hoạt động của MOSFET cơ bản là điện thế qua hai điện cực cổng và điện cực nguồn điều khiển dòng chạy qua điện cực máng. MOSFET hoạt động dựa trên cơ chế khuếch tán nhiệt qua hàng rào thế. Ở trạng thái tắt, rào thế nhiệt cao nên các điện tử không thể chảy từ nguồn đến máng. Ở trạng thái mở, cực cổng điều khiển lên vùng kênh làm hạ thấp rào thế nhiệt nên cho phép điện tử di chuyển tạo ra dòng điện. MOSFET được chế tạo đơn giản. Vật liệu ban đầu tạo ra MOSFET kênh n là một wafer được pha tạp nhẹ loại p. Màng điôxit silic được phát triển và màng nitrit silic được lắng đọng trên bề mặt của thân MOSFET. Sau đó boron được cấy qua màng điôxit silic và màng nitrit silic vào nền silic để tạo nên mặt pha tạp loại p với nồng độ cao. Sau quá trình ăn mòn nitrit silic sẽ tạo ra vùng kênh và lớp oxit. Loại bỏ lớp oxit và cấy lớp ôxit cổng trên bề mặt vùng kênh (tùy theo linh kiện có thể cấy nguyên tử Boron hoặc nguyên tử Arsen vào vùng kênh). Sau đó tạo một lớp polysilic pha tạp nồng độ cao nhờ khuếch tán hoặc nuôi cấy ion. Tiếp theo, tạo khung cho cổng nhờ in quang và cấy các nguyên tử Arsen để tạo thành vùng nguồn và máng. Và cuối cùng là kim loại hóa, oxit được pha tạp photpho được lắng đọng trên toàn bộ wafer để bảo vệ bề mặt linh kiện [2]. Công nghệ MOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS)) đã góp phần phát triển các ngành công nghệp khác trong đó đặc biệt là ngành
10 công nghệ thông tin. Với sự phát triển của ngành công nghệ thông tin hiện nay đặc biệt là các thiết bị di động đòi hỏi ngày càng nhỏ, sự tiêu hao năng lượng thấp, tốc độ xử lý ngày càng nhanh, thiết bị ngày càng nhiều chức năng, độ bảo mật ngày càng cao… Vì thế yêu cầu đặt ra là cần tích hợp rất nhiều linh kiện điện tử trên vi mạch nhất định. Sự thu nhỏ của các linh kiện điện tử đạt được do sự giảm kích thước của các MOSFET. Do MOSFET hoạt động dựa trên cơ chế khuếch tán nhiệt nên độ dốc dưới ngưỡng (subthreshold swing (SS)) tối thiểu bị giới hạn ở mức 60 mV/decade ở nhiệt độ phòng [3]. Vậy nên, sự giảm kích thước của MOSFET càng nhỏ sẽ làm tăng dòng rò do hiệu ứng kênh ngắn và giảm điện áp cung cấp sẽ hạn chế tốc độ làm việc của mạch điện tử. Giới hạn vật lý của độ dốc dưới ngưỡng đối với MOSFET truyền thống trở thành vấn đề hạn chế khi đáp ứng các yêu cầu của mạch tích hợp trong tương lai. Để giải quyết những vấn đề mà MOSFET truyền thống không thể giải quyết được thì việc nghiên cứu các linh kiện mới với cơ chế hoạt động mới có thể thay thế MOSFET ở những kích thước nhỏ hơn là việc cấp thiết. Các nghiên cứu đã tiến hành trên các linh kiện với các pha tạp và vật liệu khác nhau đã dẫn đến sự ra đời của các transistor hiệu ứng xuyên hầm (tunnel field-effect transistor (TFET)). 1.2. TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG XUYÊN HẦM MOSFET truyền thống là nền tảng trong các mạch tích hợp nhờ khả năng ngày càng thu nhỏ kích thước của nó. Vì vậy, số lượng các transistor ngày càng nhiều được tích hợp trên một vi mạch nhất định. Tuy nhiên, MOSFET chịu giới hạn vật lý của độ dốc dưới ngưỡng 60 mV/decade ở nhiệt độ phòng do nó hoạt động dựa trên cơ chế khuếch tán nhiệt. Vậy nên MOSFET bị hạn chế khả năng thu nhỏ đến một kích thước nhất định. Khi đến một kích thước giới hạn, việc thu nhỏ sẽ không thể thực hiện được nữa, nên dẫn đến việc giảm điện thế nguồn cung cấp không thể thực hiện và giới hạn khả năng giảm công suất tiêu thụ của thiết bị. Việc ứng dụng của MOSFET trong các mạch tích hợp trong ngày càng bị hạn chế. Các nghiên cứu về giảm độ dốc dưới ngưỡng tối thiểu của MOSFET xuống dưới 60 mV/decade đã được các nhà
11 (a) (b) Hình 1.2. Phác họa cấu trúc của TFET (a) loại n và (b) loại p. nghiên cứu quan tâm. Thiết kế transistor trường kim loại-oxit-bán dẫn va chạm ion hóa (ionization metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (IMOS)) được đề xuất. IMOS đã cho thấy có thể giảm độ dốc dưới ngưỡng xuống dưới 60 mV/decade ở nhiệt độ phòng nhưng nó gặp phải nhiều vấn đề bất lợi về cơ chế hoạt động. Trong quá trình hoạt động của IMOS điện thế cực máng phải giữ ở mức cao, dẫn đến dòng điện tử trong IMOS nóng lên làm phá hủy cấu trúc cổng oxit [4]. Từ đó cho thấy độ tin cậy của IMOS không cao nên không thể sử dụng rộng rãi ở các mạch tích hợp trong tương lai.
12 Trước tình hình đó, đòi hỏi cần có một thiết bị mới với cơ chế hoạt động mới để đáp ứng sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong giai đoạn này. Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu tìm ra các transistor hoạt động theo cơ chế khác với MOSFET nhưng vẫn dựa trên nền cấu tạo của MOSFET để nghiên cứu nên các transistor này. Năm 1992 Tetsuya Baba giới thiệu về transistor xuyên hầm bề mặt (surface-tunnel-transistor (STT)) đây là loại linh kiện điện tử xuyên hầm đầu tiên, được chế tạo bằng cách sử dụng một lớp chuyển tiếp GaAs/AlGaAs để nghiên cứu đặc điểm cơ bản của linh kiện mới này [5]. Về cơ bản cấu trúc và cơ chế hoạt động của TFET gần giống như MOSFET. Cấu trúc của TFET cũng có 3 điện cực như hình 1.2 gồm cực cổng (Gate-G); cực nguồn (Source- S); cực máng (Drain-D). Điểm khác nhau trong cấu tạo TFET và MOSFET là trong TFET cực nguồn và cực máng được pha tạp khác loại với nồng độ cao và thân được pha tạp với nồng độ thấp hơn. TFET được chia làm hai loại là TFET kênh n và TFET kênh p. TFET được gọi là kênh n hay kênh p là do hạt tải điện đa số ở khu vực kênh. TFET kênh n có cực máng pha tạp loại n, cực nguồn pha tạp loại p, hạt tải điện đa số trong kênh là electron. Với TFET kênh p có cực máng pha tạp loại p, cực nguồn pha tạp loại n và hạt tải điện đa số trong kênh là lỗ trống. Đồng thời, sự khác biệt lớn của TFET và MOSFET là do cơ chế vận chuyển hạt dẫn cơ bản. MOSFET hoạt động theo cơ chế khuếch tán nhiệt, còn TFET hoạt động dựa trên cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm để tạo ra dòng tải điện. Trong TFET các electron từ vùng hóa trị thực hiện quá trình xuyên hầm qua vùng cấm của chất bán dẫn để trở thành electron tự do trong vùng dẫn. Ở trạng thái tắt, rào thế xuyên hầm giữa nguồn và kênh rất lớn nên quá trình xuyên hầm không xảy ra. Ở trạng thái mở, khi điện thế cổng vượt quá điện thế ngưỡng, rào thế giữa kênh và nguồn được thu hẹp lại cho phép tạo ra một dòng xuyên hầm đáng kể [6]. TFET có thể thay thế MOSFET trong các mạch tích hợp công suất lớn vì độ dốc dưới ngưỡng của nó nhỏ hơn nhiều so với giới hạn độ dốc dưới ngưỡng 60 mV/decade ở nhiệt độ phòng của MOSFET được minh họa trong hình