环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管制造技术

本发明专利技术公开了一种环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管，包括导电沟道(1)、源区(2)、漏区(3)、栅极氧化层(4)、源极(5)、漏极(6)和由金属构成的栅极(7)，所述的导电沟道(1)、源区(2)和漏区(3)采用本征半导体单壁MOS2纳米管制作，并将源区(2)和漏区(3)采用分子或金属离子进行N型重掺杂。此发明专利技术不同于通常MOS2场效应管采用的单层平面MOS2结构，采用了以MOS2为材料的单壁纳米管的新型结构，克服了单层平面MOS2通道材料易受到的起皱和滚动的影响，有效应对了边缘效应对器件构成的严重威胁。

【技术实现步骤摘要】
环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管
本专利技术涉及一种MOS2纳米管场效应管，特别是一种环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管。
技术介绍
二硫化钼(MOS2)是由垂直堆叠的S-Mo-S层通过弱范德华力相互作用组成的层状材料。每个单层由S原子的两个六角形平面和夹在S原子层之间的Mo原子的六角形平面组成。通过基于透明胶带的机械剥离或基于锂的插入可以获得稳定的单层MOS2。体MOS2(BulkMOS2)是带隙为1.2eV的间接半导体，而单层MOS2是带隙为1.8eV的直接半导体。2010年第一次成功的单层MOS2晶体管的演示报告使用HfO2作为栅极介质，以演示室温下迁移率为200cm2V-1s-1的单层MOS2晶体管，ON/OFF电流比超过1×108，亚阈值摆幅(SS)为74mV/dec。自单层MOS2金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件和逻辑演示以来，过渡金属二硫族化合物(MX2：其中M代表过渡金属，X代表硫族元素)已经引起MOS器件社群的很多关注。这种材料与石墨烯相比具有明显的优势，因为它们的单层形式具有非零带隙，这对于开关应用是强制性的。虽然MOS2场效应管凭借其优异的电学特性在未来纳米电子应用领域有着广阔的前景，但单层MOS2纳米管这样的单层通道易受到起皱和滚动的影响，这会明显限制器件的性能，而且其边缘效应也对器件性能也构成了严重威胁。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术要解决的技术问题是提供一种环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管，它能够克服单层MOS2通道材料易受到的起皱和滚动的影响，有效应对了边缘效应对器件构成的严重威胁。技术方案：本专利技术所述的环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管，包括导电沟道、源区、漏区、栅极氧化层、源极、漏极和由金属构成的栅极，其特征在于：所述的导电沟道、源区和漏区为单壁MOS2纳米管，栅极氧化层以同轴的方式环绕在导电沟道、源区、漏区的外表面，栅极以同轴的方式环绕在栅极氧化层的外表面。为了载流子能够更好地稳定传输，所述的导电沟道、源区和漏区为一根本征半导体单壁MOS2纳米管。为了获得更多的有效载流子浓度，实现较好的电学特性，所述的源区和漏区采用分子或金属离子进行N型重掺杂。为了减少漏极电流，且随着纳米管直径的增加会有更小的载流子有效质量和更高的开态电流，可以将所述的构成导电沟道、源区和漏区的单壁MOS2纳米管厚度限制为2.5-5nm。使用平均自由路径计算来预测准弹道电流时，如果将所述的导电沟道的长度限制在100-200nm时，漏极电流中的弹道值减少62％-75％。本专利技术中所述的栅极氧化层可以是采用原子沉积方法制作的高K栅极氧化层。有益效果：本专利技术应用到场效应管结构中，可以显著改善MOS2器件的性能，在开态电流、开/关比、跨导、固有延迟时间和截止频率方面表现出足够好的性能，并可用于10nm技术节点。附图说明图1是本专利技术的横向截面图；图2是沿图1中A-A纵向截面图。具体实施方式如图1所示，本专利技术环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管的导电沟道1、源区2和漏区3采用一根本征半导体单壁MOS2纳米管制作，最中间部分作为的导电沟道1，两端采用分子或金属离子进行N型重掺杂后，分别作为环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管的源区2和漏区3；在所述的导电沟道1、源区2和漏区3外，采用原子沉积方法生成一层高K栅极氧化层4，在栅极氧化层4外再沉淀一层金属电极，作为环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管的栅极7，在位于源区2和漏区3之上的栅极氧化层4上分别刻蚀一源极引线孔和漏极引线孔，在该源极引线孔内制备所述的源极5，在漏极引线孔内制备所述的漏极6。所述的栅极氧化层4和栅极7都以同轴的方式环绕单壁MOS2纳米管。图2所示的是环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管沿图1中A-A的纵向截面图，该场效应管是空心结构，管壁从里至外由同心环绕的单壁MOS2纳米管、高K栅极氧化层和金属栅极构成。此专利技术不同于通常MOS2场效应管采用的单层平面MOS2结构，采用了一种以MOS2为材料的单壁纳米管的新型结构，克服了单层平面MOS2通道材料易受到的起皱和滚动的影响，有效应对了边缘效应对器件构成的严重威胁，该结构的MOS2纳米管已经在实验室中实现。为验证本专利技术的技术效果，通过自洽全量子数值求解二维非平衡格林函数(NEGF)方程和泊松(Poisson)方程，构建了适用于改善MOS2场效应管的性能的环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管的输运模型。该模型基于单壁MOS2纳米管场效应管中的电势和电荷密度的自洽计算。具体过程是在栅极7给定一个栅极电压，利用NEGF方程计算出其电荷密度，再将电荷密度代入泊松方程求解出单壁MOS2纳米管沟道中的静电势，然后又将求得的电势重新代入NEGF方程中进行计算，如此反复迭代直到得到自洽解为止。电荷密度的计算是利用非平衡格林函数方法。器件的迟滞格林函数为[DATTAS.Nanoscaledevicemodeling:TheGreen’sfunctionmethod[J].SuperlatticesMicrostruct,2000,28(4):253–278.]：G(E)＝[EI-H-∑S-∑D]-1.(1)式中，E为源极2与漏极3的电势差，I是单位矩阵，ΣS和ΣD分别为器件源和漏电极贡献的自能项，可根据表面格林函数通过迭代求出。扩展矩阵ГSГD和谱密度ASAD分别为[VENUGOPALR,PAULSSONM,GOASGUENS,etal.Asimplequantummechanicaltreatmentofscatteringnanoscaletransistors[J].JApplPhys,2003,93(9):5613-5625.]：用于解泊松方程的密度矩阵为:其中A(Ek，x)是谱密度矩阵，Ek，x是导电电平的能量，η是触点的化学势，f0是费米函数。将由NEGF方程计算得到的载流子密度放入泊松方程中，以计算更准确的自洽电位猜测值去计算更好的ntot，用于计算传输矩阵T(E)的收敛值为：T(E)＝Trace[ASΓD]＝Trace[ADΓS].(5)由此可计算得到导电沟道1的电流ID为：其中e是电子电荷，h是普朗克常数，fS和fD是源极和漏极触点中的费米函数，ηS和ηD分别是源和化学势，数字4表示单壁MOS2纳米管中的自旋简并性和谷简并性。通道电导可计算得：其中gv是谷简并度，数字2是自旋简并度，f是费米函数。研究结果表明，环形栅结构的单壁MOS2纳米管器件结构和传统结构相比，具备了许多优点，例如：在开态电流，开/关比，跨导，固有延迟时间和截止频率方面表现出足够好的性能，可用于10nm技术节点。在单壁MOS2纳米管于2.5-5nm时，随直径的增加会有更小的载流子有效质量和更高的开态电流，且漏极电流减少。使用平均自由路径计算来预测准弹道电流，观察到长沟道长度为100-200nm的漏极电流中的弹道值减少62％-75％。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管，包括导电沟道(1)、源区(2)、漏区(3)、栅极氧化层(4)、源极(5)、漏极(6)和由金属构成的栅极(7)，其特征在于：所述的导电沟道(1)、源区(2)和漏区(3)为单壁MOS2纳米管，栅极氧化层(4)以同轴的方式环绕在导电沟道(1)、源区(2)、漏区(3)的外表面，栅极(7)以同轴的方式环绕在栅极氧化层(4)的外表面。

【技术特征摘要】
1.一种环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管，包括导电沟道(1)、源区(2)、漏区(3)、栅极氧化层(4)、源极(5)、漏极(6)和由金属构成的栅极(7)，其特征在于：所述的导电沟道(1)、源区(2)和漏区(3)为单壁MOS2纳米管，栅极氧化层(4)以同轴的方式环绕在导电沟道(1)、源区(2)、漏区(3)的外表面，栅极(7)以同轴的方式环绕在栅极氧化层(4)的外表面。2.根据权利要求1所述的环形栅结构的单壁MOS2纳米管场效应管，其特征在于：所述的导电沟道(1)、源区(2)和漏区(3)为一根本征半导体单壁MOS2纳米管...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈志豪，赵剑飞，江斌，王伟，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32