本发明专利技术公开了一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管。基于量子力学非平衡Green函数理论框架，在开放边界条件下，通过自洽求解三维泊松（3D-Poisson）和薛定谔（Schr?dinger）方程，构建了适用于非均匀掺杂的石墨烯场效应管的输运模型，并利用该模型分析计算非对称HALO-LDD掺杂策略对石墨烯纳米条带场效应管(GNRFET)电学特性的影响。通过与采用其他掺杂策略GNRFET的输出特性、转移特性、开关电流比、亚阈值摆幅、阈值电压漂移等电学特性对比分析，发现这种掺杂结构的石墨烯场效应管具有更大的开关电流比、更低的泄漏电流、更小的亚阈值摆幅和阈值电压漂移，即表明采用非对称HALO-LDD掺杂策略的GNRFET具有更好的栅控能力，能够有效的抑制短沟道效应和热载流子效应。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及石墨烯纳米条带场效应管领域，尤其是涉及非对称峰值-轻掺杂漏(HALO-LDD)掺杂结构的石墨烯纳米条带场效应管。
技术介绍
近年来，石墨烯(Graphene)的出现在科学界激起了巨大的波澜，由于自身的优越性质而被认为是未来最有发展潜力的碳纳米材料之一。石墨烯具有很高的电子迁移率和高导电性，利用石墨烯制作的晶体管不仅体积小、功耗低、对工作环境的要求低，并且易于设计成各种结构。然而，由于石墨烯是零带隙材料，其费米能是呈线性分布的，因此它并不适合直接应用到晶体管中。不过可以将石墨烯按照一定方向切割成条带的方法来产生带隙[HAN M Y, OZYILMAZ B, KIM P, et al.Energy band-gap engineering of graphenenanoribbons [J].Phys Rev Lett, 2007, 98 (20): 206-805.]，并可以通过条带的宽度来控制带隙的大小(带隙的大小与条带宽度成反比)。从沟道工程的角度上看，将GNR(石墨烯条带)作为沟道材料制成的场效应管具有较硅基MOS管更优越的器件性能 和尺寸缩小前景，因而石墨烯条带场效应管(GNRFET)被认为是构建未来纳电子系统中最具潜力的基本元件。尽管如此，由于A-GNRs (ArmchairGNR)的带隙依条带宽度的不同而不同，因此以不同尺寸GNR作为沟道的GNRFETs，其应用领域也有很大差异。研究表明，条带宽度为l(Tl5nm的GNRFET开关电流比仅为10左右，完全达不到数字电路的要求，但其具有很高的截止频率(截止频率可达THZ)，因此十分适用于高频/RF模块的低增益基本元件中，如低噪声放大器[LIN Y M, ALBERTO VG, HAN S J, et al.Wafer-Scale graphene integrated circuit[J].Science, 2011，332(6035):1294-1297.],目前，IBM已研制出运行速度最快的石墨烯晶体管，其截止频率可达100GHZ，并且已研制出首款由石墨烯原片制成的集成电路[Υ00Ν Y, FIORI G, HONG S，etal.Performance comparison of graphene nanoribbon FETs with Schottky contactsand doped reservoirs[J].1EEE Trans Electron Devices,2008，55(9):2314-2323.]。另一方面，为了获得足够的开关电流比以适合数字应用，需要减小GNR宽度以增加带隙，已有实验数据表明，窄带GNRFETs(条带宽度约为2±0.5nm)在Vds = 0.5V时，开态电流密度约为 2000 μ A/ μ m,电流开关比达 106[WANGX., OUYANG Y, LI X, et al.Room-temperatureall-semiconducting sub-10-nm graphene nanoribbon field-effect transistors[J].Phys.Rev.Lett, 2008, 100(20):206803-206807.]。根据石墨烯与器件源漏端电极的接触类型的不同，石墨烯晶体管可以分为类MOS石墨烯纳米条带场效应管(C-GNRFETs)和肖特基势垒石墨烯纳米条带场效应管(SB-GNRFETs)，其中C-GNRFETs —般是通过在器件源漏区进行重掺杂，使得GNR与源漏电极间形成欧姆接触从而实现类似MOSFET的结构，而SB-GNRFETs是通过直接将本征石墨烯纳米条带与金属电极接触形成肖特基势垒，与C-GNRFETs不同的是，在SB-GNRFETs中，电流的形成是载流子隧穿通过源漏端的肖特基势垒而产生的，而栅压的改变能够引起该势垒的变化，进而引起相应隧穿电流的大小，由于导体中同时存在电子和空穴的作用，SB-GNRFETs会表现出明显的双极性特性，从而大大降低器件性能。在对两类器件电流特性的对比分析中表明，源漏区掺杂的C-GNRFET拥有比SB-GNRFET更好的器件性能、更高的开关电流比和截止频率[YOON Y, FIORI G, HONG S，et al.Performance comparison of graphenenanoribbon FETs with Schottky contacts and doped reservoirs[J].1EEE TransElectron Devices, 2008, 55(9):2314 - 2323.]。总而言之，石墨烯凭借其优异的电学特性在未来纳米电子应用领域有着十分诱人的前景，而具有一定能隙的石墨烯纳米条带更能够应用于高性能数字电路、太赫兹频率器件和超传感器元件中，并有望取代硅基材料成为引领后硅基时代的主导。不过由于传统的石墨烯纳米条带场效应管会出现双极性效应，且随着器件尺寸不断缩小，会出现各种二级效应，从而影响器件性能。本工作从沟道掺杂工程的角度出发，提出一种适用于改善石墨烯纳米条带场效应管性能的新型掺杂结构。
技术实现思路
技术问题:本专利技术的目的是针对传统石墨烯纳米条带器件因双极性效应和其他一系列副效应而引起的器件性能下降问题，提供一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管，使得器件抑制热载流子效应的能力也增强。在较低的工作电压下，能够获得较大的驱动电流，并有望在数字电路中获得应用。技术方案:本专利技术受硅基横向沟道工程的启发，将用于改善传统MOSFET性能的掺杂结构引入GNRFET中，包括梯度掺杂结构[周海亮，池雅庆，张民选.基于梯度掺杂策略的碳纳米管场效应管性能优化[J].物理学报，2010，59 (11):8105-8111.]、轻漏掺杂结构.1EEETrans Electron Devices, 1980，15 (4): 1359-1367.]和峰值掺杂结构[KAUR R, CHAU JARR,SAXENA M,et al.Lateral channel enginerred hetero material insulated shallowextension gate stack(HMISEGAS)MOSFET structure:high performance RF solution forMOS technology [J], Semicond Sci Tech, 2007，22 (10): 1097-1102.]。由于 LDD (轻掺杂漏)掺杂结构可以有效地抑制器件的热载流子效应，HALO掺杂结构可以有效抑制短沟道效应(如阈值电压漂移，漏致势垒降低效应)，但若将HALO掺杂用于器件的漏端反而会使漏端电场增强，这将不利于抑制热载流子效应。基于上述考虑，本专利技术提出了在GNRFET源极附近进行单HALO掺杂，漏极附近进行单LDD掺杂，以形成非对称HAL0-LDD-GNRFET结构。由于目前石墨烯器件的仿真还处于起步阶段，且目前很少有文献涉及这类掺杂结构的石墨烯纳米条带场效应管电学特性的研究。为揭示纳米尺度该类器件的量子输运特性，本专利技术在非平衡格林函数(NEGF)框架下，通过自洽求解本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管，其特征在于该场效应管是一种双栅（1）结构，其中用扶椅型的石墨烯条带A?GNR作为导电沟道，沟道与两个栅电极间用同种电介质材料填充，且两个栅电极以沟道为中心形成对称结构；器件的源和漏扩展区均存在一个N型重掺杂区即N+区（3），且在石墨烯纳米条带（5）沟道靠近源区附近有一个峰值HALO掺杂结构（4），而在器件漏区靠近沟道存在一个单独的轻掺杂漏LDD掺杂结构（6），最终组成非对称峰值?轻掺杂漏掺杂结构；即：源区进行单HALO掺杂，漏区进行单LDD掺杂。
【技术特征摘要】
1.一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管，其特征在于该场效应管是一种双栅(I)结构，其中用扶椅型的石墨烯条带A-GNR作为导电沟道，沟道与两个栅电极间用同种电介质材料填充，且两个栅电极以沟道为中心形成对称结构；器件的源和漏扩展区均存在一个N型重掺杂区即N+区(3)，且在石墨烯纳米条带(5)沟道靠近源区附近有一个峰值HALO掺杂结构(4)，而在器件漏区靠近沟道存在一个单独的轻掺杂漏LDD掺杂结构(6)，最终组成非对称峰值-轻掺杂漏掺杂结构；即:源区进行单HALO掺杂，漏区进行单LDD掺杂。2.根据权利要求1所述的一种非对称峰值轻掺杂漏结构的石墨烯纳米条带场效应管，其特征在于所述的双栅结构为两个关于器件沟道对称的栅(I )，即顶栅和底栅，其采用功函数为4.1的锰金属作为栅极材料，器件沟道与两栅电极间用栅电介质填充，以形成栅氧化层(...
【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，杨恒新，蒋嗣韬，陆峰，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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