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二维材料界面及新型器件输运性质的第一性原理研究

宋顺  
【摘要】:本文主要从国际半导体技术路线图(ITRS)给出的后摩尔时代器件发展的新原理和新材料两个方向入手,以新兴二维材料(如砷烯,石墨烯,二硫化钼)为沟道,设计了隧穿场效应晶体管(TFET),冷源晶体管(CSFET)等新机理晶体管器件,从物理原理上提升器件开关速率.通过计算模拟出了超陡亚阈值摆幅的隧穿场效应晶体管,并考虑了界面缺陷对隧穿场效应晶体管性能的影响;通过掺杂调控设计出了具有陡峭亚阈值摆幅的冷源场效应晶体管;通过两种二维材料结合设计出了具有较好整流性能的平面异质结整流器,并考虑了应力,自旋极化和掺杂等条件对于器件整流特性的影响.基于以上新原理和新型二维材料器件我们做了以下几部分工作:(1)表面缺陷对于单层砷烯隧穿场效应晶体管性能的影响基于密度泛函理论(DFT)结合非平衡格林函数(NEGF)的第一性原理计算方法,系统地研究了单层砷烯隧穿场效应晶体管(TFETs)沿armchair和zigzag方向的输运性能.在源-沟道界面处引入了五种类型的缺陷,并研究其对器件输运性能的影响.由于沿armchair方向的有效质量较小,本征砷烯TFET具有较大的开态电流,但仍然不能满足国际半导体技术路线图2022(ITRS 2022)对高性能(HP)器件的要求.我们研究发现通过吸附一个或者两个H原子可以显著提高n型和p型器件的开态电流至1412μA/μm以上,并将亚阈值摆幅(SS)降低到60m V/decade以下,满足了ITRS 2022对HP器件的要求.此外,p型吸附的As原子和n型吸附的Li原子可以分别提高p型和n型器件的性能.沿zigzag方向的本征砷烯TFET的开态电流已经满足ITRS 2022对低功耗(LP)器件的要求.作为LP器件,p型TFETs的性能可以通过两种p型缺陷改善,单空位(SV)和As原子吸附可以在增加开态电流的同时减少SS值.另一方面,吸附一个H原子可以明显将p型TFET的开态电流提高到1563μA/μm,并将SS值降低到34 m V/decade,使该器件可以作为HP器件工作.我们进一步证实,开态电流的增大是由于通过缺陷引起的带隙态缩短了导带与价带之间的隧穿路径造成的.我们的计算结果为通过引入合适缺陷改善基于砷烯或其他单层二维材料TFET的性能提供了理论指导.(2)界面结构和应力对二硫化钼/石墨烯平面异质结器件整流性能的影响我们系统地研究了界面结构和应力对二硫化钼/石墨烯平面异质结电子和输运特性的影响.首先确定了C-S和C-Mo两种较为稳定的界面成键方式.应力可以加于石墨烯或二硫化钼上,并且不会改变不同异质结的相对稳定性.能带计算表明,所有的平面异质结都形成了n型肖特基接触.从器件电流-电压特性曲线可以看出,二硫化钼/石墨烯平面异质结器件展现出了良好的整流性能.我们也证明了过强或过弱的界面相互作用均不利于电子输运.在所有的二硫化钼/石墨烯平面异质结中,在界面处形成结合力适中的C-S键结构比在界面上形成C-Mo键的异质结有更大的导通电流.对二硫化钼施加应力时,平面异质结器件的最大整流比可达到10~5.对石墨烯施加应力时,由于界面肖特基势垒高度降低,平面异质结器件的电流可以增加1-2个数量级,但整流比却降低了,最大值为10~4.我们的计算结果可以对设计基于二维平面异质结整流器件给出理论指导.(3)基于二硫化钼/石墨烯平面异质结冷源晶体管的研究本章系统研究了二硫化钼/石墨烯平面异质结冷源晶体管的输运性质.第四章的计算已表明应力加于石墨烯时,界面肖特基势垒较小,体系电流较大,因此我们选取了性质最好的C-S1界面进行进一步研究.我们发现,通过对源极石墨烯进行掺杂调控,二硫化钼/石墨烯平面异质结冷源器件可实现最小为48m V/decade的陡峭亚阈值摆幅.我们也证明了太高或太低的源极掺杂浓度均不利于冷源器件.首先器件沟道区材料导带边在开关态栅压作用下应经过狄拉克能隙,且器件源极载流子浓度在亚阈值区发生突变,这样有利于得到陡峭的SS值.我们的计算结果可以作为设计基于二维平面异质结的陡峭亚阈值摆幅器件的理论指导.(4)自旋极化效应对二硫化钼/石墨烯平面异质结器件整流性能的影响我们通过基于第一原理计算的量子输运模拟系统地研究了自旋极化效应对二硫化钼/石墨烯平面异质结电子和输运特性的影响.基于第四章的计算,我们选取了C-S1和C-Mo两种具有代表性的界面结合方式进行进一步研究.考虑到器件的实际应用,要求器件电流大的同时整流比也较大,因此我们选择应力施加于石墨烯的结构,期望进一步提高或者保持其整流比.经过弛豫,我们发现C-S1和C-Mo两种结构界面处均为铁磁耦合,且自旋向上和自旋向下的态密度均由C原子的p轨道,Mo原子的d轨道和S原子的p轨道贡献.从器件电流-电压特性曲线可以看出,自旋极化效应使得二硫化钼/石墨烯平面异质结器件整流方向发生反转,并使得C-S1结构整流比由10~4下降到10~2以下.通过对二硫化钼进行掺杂,使C-S1结构的整流方向固定为正向,整流比达到10~5,且电流大小提升了一个数量级.我们的计算结果可以作为进一步改善基于二维平面异质结整流器件的理论指导.


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