(Luận văn thạc sĩ) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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

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

BÌA PHỤ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

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

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

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

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

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

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Roadmap for Semiconductors

Dự báo quốc tế về công nghệ bán dẫn

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…….12Hình 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

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

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

Hình 4.4 Cấu trúc đặc trưng của các TFET (a) loại n và (b) loại p sử dụng dị chất

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

Hình 4.8 Đặc tính dòng-thế của các TFET (a) loại n và (b) loại p sử dụng dị chất

Hình 4.9 Giản đồ năng lượng của các TFET loại n và loại p sử dụng dị chất liên

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

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

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

thấp thì phải hướng đến việc giải quyết dòng rò một các hợp lý khi thu nhỏ

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

MOSFET truyền thống cũng đã gặp không ít những khó khăn để duy trì đặc tính

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

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

nguồn đến máng làm tăng dòng rò trong các Tranzito Dòng xuyên hầm này xảy ra

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

Hình 1.1 Phác họa đặc tính dòng-thế của MOSFET và TFET

dòng-thế của TFET và MOSFET cho thấy tranzito trường xuyên hầm có độ dốc dưới ngưỡng nhỏ hơn độ dốc dưới ngưỡng của MOSFET Giới hạn Boltzmann của độ dốc dưới ngưỡng trong MOSFET ở 60 mV/decade tại nhiệt độ phòng đã hạn chế việc giảm điện thế nguồn cấp Vì nếu giảm điện thế nguồn cấp thấp hơn điện thế ngưỡng thì dòng điện mở nhỏ làm cho tốc độ hoạt động của mạch chậm Do vậy không thể giảm điện thế nguồn cấp quá thấp trong MOSFET truyền thống được Ngược lại, TFET với độ dốc dưới ngưỡng nhỏ hơn 60 mV/decade có tốc độ chuyển

từ trạng thái tắt sang mở nhanh và có thể giảm điện thế nguồn cấp xuống thấp mà dòng điện mở vẫn lớn Điều này làm công suất tiêu thụ của linh kiện MOSFET lớn

vì công suất tiêu thụ có mối liên hệ mật thiết với điện thế nguồn cấp, cụ thể là tỉ lệ thuận với bình phương điện thế nguồn cấp Do vậy, để giảm công suất tiêu thụ và thu nhỏ linh kiện mà không giảm điện thế nguồn cấp là một vấn đề khó khăn

1.2 Thuận lợi của TFET

giá là một loại linh kiện đầy hứa hẹn để thay thế cho các MOSFET truyền thống, do

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

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

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

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

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

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

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

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

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:

và lỗ trống) ở công thức (2.1) trong linh kiện tranzito:

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, Jrn và Jr là mật độ dòng trôi của pđiện 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:

với fn, f là thế giả Fermi của điện tử và lỗ trống Ngoài ra, mật độ dòng của điện p

tử và lỗ trống còn được cho bởi:

trong đó mnvà mp 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

(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

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=hn) 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

tượng bức xạ và hấp thụ phonon dễ dàng được thực hiện trong chất bán dẫn có vùng

cơ chế chuyển dịch bổ trợ thích hợp Trong cơ chế này sự góp phần của một hạt tương tác như phonon là rất cần thiết để tuân theo các định luật bảo toàn Trong vùng cấm gián tiếp, việc hấp thụ phonon có thể được thực hiện nhờ vào cơ chế

trung gian, với một phonon có năng lượng lớn hơn vùng cấm có thể được hấp thụ bằng một chuyển dịch quang học có hướng thẳng đứng giữa đỉnh của vùng hóa trị

và đáy thứ hai của vùng dẫn (véc-tơ sóng k được bảo toàn), năng lượng thừa trong quá trình hấp thụ này sẽ được tiêu tán dưới dạng nhiệt trong vật liệu Như vậy, nếu chất bán dẫn trực tiếp và gián tiếp có độ rộng vùng cấm bằng nhau thì xác suất xuyên hầm của bán dẫn gián tiếp nhỏ hơn so với bán dẫn trực tiếp Vì quá trình xuyên hầm của điện tử trong bán dẫn có vùng cấm gián tiếp ngoài việc tuân theo quy tắc xác suất truyền qua còn phải tuân theo định luật bảo toàn xung lượng 2.2.2 Mẫu xuyên hầm Kane

Trong xuyên hầm gián tiếp, xác suất xuyên hầm của điện tử được tính toán bởi Kane và Keldysh như sau [6], [44]:

trong đó: mc và mv theo thứ tự là mật độ trạng thái trong vùng dẫn và vùng hóa trị;

r là khối lượng riêng; thế biến dạng phonon của nhánh âm học ngang DTA (the

nhánh âm học ngang eTA (the transverse acoustic phonon energy); số lấp đầy phonon của nhánh âm học ngang N =TA 1 / expéë eTA/ kT 1- ùû(the occupation number of the transverse acoustic phonon [37]; x là điện trường tại mối nối xuyên

2

= p

3/2 5/ 2

các tham số AKane và BKane có giá trị khác nhau khi nồng độ mol x của Ge thay đổi

từ 0 đến 1 Trong luận văn này, các tham số đầu vào của mẫu xuyên hầm Kane cho

Si1-xGex đã được tính toán và kiểm tra với thực nghiệm [38] Ngoài ra, để mô phỏng gần với thực tế hơn, phân bố Fermi-Dirac và mẫu tái hợp Shockley-Read-Hall cũng được bao gồm trong các mô phỏng

2.3 Phương pháp mô phỏng

Thực hiện mô phỏng hai chiều đặc tính điện của TFET để so sánh sự khác biệt

về cơ chế hoạt động và tính chất vật lý của hiệu ứng kênh ngắn trong tranzito trường xuyên hầm Tiến hành viết chương trình cho mỗi cấu trúc linh kiện sau khi phác họa cấu trúc linh kiện cần mô phỏng Đầu tiên, tạo khung cho cấu trúc bằng cách sử dụng các câu lệnh X.MESH và Y.MESH để định rõ chiều rộng và chiều sâu của linh kiện tương ứng số ô (N.SPACES) chia theo từng miền, nhằm thu được mật

độ ô phù hợp với cấu trúc linh kiện cần khảo sát, điều này cho phép chỉ định từng khu vực sẽ có nồng độ pha tạp lớn hay nhỏ Thứ hai, xác định vùng vật liệu gồm các khu vực kim loại, ô-xít, chất bán dẫn trong linh kiện với lệnh REGION và khu vực cần pha tạp với pha tạp cực nguồn, máng, cổng bằng lệnh ELECTR NAME=”tên của điện cực” Thứ ba, sử dụng lệnh PROFILE để khai báo độ lớn nồng độ pha tạp

và pha tạp loại n hay loại p cho từng khu vực Thứ tư, thực hiện khai báo mẫu vật

lý, với các mẫu: CONMOB, FLDMOD, SRFMOD2, BGN, FERMIDIR, BTBT, BT.MODEL=n (n=1, 2, 3) để đảm bảo tính chính xác khi mô phỏng đặc tính điện của tranzito trường xuyên hầm Ngoài ra, khi khảo sát linh kiện có thể sử dụng

phương pháp NEWTON sẽ thu được kết quả chỉnh xác hơn hoặc phương pháp GUMMEL để dễ hội tụ hơn Cuối cùng, tùy vào mục đích khảo sát linh kiện có thể khai báo khoảng điện thế cổng, điện thế máng thích hợp và sử dụng lệnh vẽ PLOT,

Sau khi viết xong chương trình mô phỏng, ta cho chạy chương trình để thu được kết quả bao gồm các đặc tính dòng-thế, giản đồ năng lượng, đường sức tốc độ xuyên hầm… Cuối cùng sử dụng phần mềm Origin để biểu diễn kết quả thu được,

từ đó phân tích, đánh giá hiệu ứng kênh ngắn cũng như giải thích nguyên nhân vật

lý liên quan

CHƯƠNG 3: CƠ CHẾ CỦA HIỆU ỨNG KÊNH NGẮN

TRONG TFET Cũng như MOSFET, hiệu ứng kênh ngắn trong các TFET là do điện thế cực máng cảm ứng tới thế của vùng kênh dẫn Nhưng hiệu ứng kênh ngắn của các MOSFET là do sự hạ thấp rào thế nhiệt, còn trong các TFET là bởi sự hẹp lại của rào xuyên hầm Độ cao và độ rộng của rào xuyên hầm trong trạng thái tắt chịu ảnh hưởng bởi các tham số linh kiện và vật liệu như: bề dày lớp ô-xít, hằng số điện môi cổng, nồng độ tạp chất cực máng, độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, cấu trúc linh kiện đơn cổng và lưỡng cổng, điện thế cực máng…Do vậy, trong chương này ngoài việc làm sáng tỏ và so sánh cơ chế của hiệu ứng kênh ngắn trong MOSFET và TFET còn tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng kênh ngắn nhằm đưa ra các tham số cùng cấu trúc tối ưu cho đặc tính tắt-mở của các linh kiện TFET 3.1 Cơ chế của hiệu ứng kênh ngắn

Hình 3.1 phác họa cấu trúc cơ bản của các linh kiện MOSFET và TFET đơn cổng sử dụng vật liệu silicon Để có những so sánh thích hợp giữa hiệu ứng kênh

đó với cấu trúc TFET thì máng được pha tạp loại n và pha tạp loại p cho cực nguồn

đều là 40 nm Để đơn giản, các chuyển tiếp p-n giữa khu vực máng-kênh, kênh đều là gián đoạn với độ biến thiên nồng độ tạp chất bằng 0, hay nói cách khác tại đó nồng độ được pha tạp đồng nhất

nguồn-3.1.1 Cơ chế tắt-mở

Sau khi sử dụng phần mềm mô phỏng MEDICI và sử dụng Origin để xử lý số

ngưỡng và vùng mở đều quan sát được ở cả MOSFET và TFET Tuy nhiên, dòng điện mở của MOSFET lớn hơn rất nhiều so với dòng điện dẫn của TFET, cụ thể lớn

Để thấy sự khác biệt căn bản trong cơ chế tắt-mở của linh kiện MOSFET và TFET, hình 3.3 biểu diễn giản đồ năng lượng ở trạng thái tắt và trạng thái mở của chúng Với MOSFET khi cổng được áp vào một điện thế thấp thì rào thế nhiệt tại kênh cao khiến phần lớn electron ở cực nguồn không thể đi qua kênh để đến cực máng, khi đó linh kiện ở trạng thái tắt Khi điện thế cực cổng được áp vào lớn thì

Hình 3.2 Đặc tính dòng-thế của (a) MOSFET và (b) TFET kênh dài

điện trường cực cổng cảm ứng mạnh tới khu vực kênh làm hạ rào nhiệt xuống rất thấp và do đó phần lớn electron ở cực nguồn có thể dễ dàng tới cực máng để thiết lập trạng thái mở Với TFET, khi điện thế cực cổng thấp, độ rộng rào xuyên hầm ở vùng chuyển tiếp giữa cực nguồn và kênh lớn làm cho xác suất xuyên hầm rất nhỏ

do đó TFET ở trạng thái tắt và khi điện thế cực cổng lớn, giản đồ năng lượng ở kênh bị kéo xuống làm cho độ dốc của kênh năng lượng tại lớp chuyển tiếp nguồn-kênh rất lớn Do đó, độ rộng hàng rào hẹp lại làm cho electron có thể xuyên hầm qua vùng cấm để thiết lập trạng thái mở Tóm lại, ở MOSFET điện thế cực cổng điều khiển độ cao của rào thế nhiệt, còn ở TFET do điện thế cực cổng điều khiển độ

-50 0 50 100 150 200 250 -2.5

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

Distance to Source (nm)

Thermal Barrier

Distance to Source (nm)

Tunnel Width

Hình 3.3 Giản đồ năng lượng của (a) MOSFET và (b) TFET tại các trạng thái tắt và mở ở

chiều dài kênh L g =200 nm

rộng của rào xuyên hầm để quyết định trạng thái tắt hay mở

3.1.2 Hiệu ứng kênh ngắn

Hiệu ứng kênh ngắn của TFET và MOSFET sẽ được thấy thông qua quan sát đặc tính dòng-thế của linh kiện ứng với các chiều dài kênh khác nhau như hình 3.4

đầu tăng đáng kể khi chiều dài kênh giảm xuống 200 nm Sự tăng đó càng mạnh khi chiều dài kênh giảm xuống dưới 100 nm, dẫn đến đặc tính hoạt động tắt-mở của MOSFET bị suy giảm nghiêm trọng Hiệu ứng kênh ngắn của TFET được quan sát

nm)

Hình 3.4 Đặc tính dòng-thế của (a) MOSFET và (b) TFET với chiều dài kênh khác nhau trong hình 3.4 (b), nhưng dòng điện tắt và độ dốc dưới ngưỡng chỉ tăng đáng kể khi chiều dài kênh được rút ngắn dưới 40 nm Tuy nhiên, khi chiều dài kênh của TFET giảm xuống dưới 30 nm thì hiệu ứng kênh ngắn tăng rất nhanh vì dòng điện tắt và

độ dốc dưới ngưỡng tăng nhanh làm suy giảm đặc tính tắt-mở của linh kiện Như vậy, khả năng thu nhỏ của TFET lớn hơn MOSFET

Có thể giải thích hiệu ứng kênh ngắn của MOSFET và TFET thông qua giản

đồ năng lượng ở trạng thái tắt của cả hai linh kiện ứng với các chiều dài kênh khác

xuống 100 nm, điện thế máng có ảnh hưởng đáng kể đến vùng chuyển tiếp

nguồn 50 0 50 100 150 200 250 -2.5

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

Distance to Source (nm)

Thermal Barrier

Source

Drain Channel Length

L g = 200 nm

Lg = 100 nm

(a)

OFF-state (Vgs = 0.5 V)

-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

Distance to Source (nm)

Tunnel Width

Source

Drain Channel Length

L g = 30 nm

Lg = 20 nm

(b)

OFF-state (Vgs = 0.5 V)

Hình 3.5 Giản đồ năng lượng của (a) MOSFET và (b) TFET tại trạng thái tắt với chiều dài

kênh khác nhau

kênh làm rào thế hạ xuống đáng kể Do đó, có nhiều electron di chuyển từ cực nguồn đến cực máng hơn làm cho dòng điện tắt và độ dốc dưới ngưỡng của linh kiện MOSFET kênh ngắn 100 nm lớn hơn linh kiện kênh dài 200 nm Với TFET, khi giảm chiều dài kênh từ 30 nm xuống 20 nm sẽ làm tăng độ dốc của giản đồ năng lượng và do đó làm thu hẹp độ rộng của rào xuyên hầm dẫn đến xác suất xuyên hầm lớn hơn Vì vậy, dòng điện tắt và độ dốc dưới ngưỡng của linh kiện tăng rất mạnh khi chiều dài kênh giảm xuống dưới 30 nm Tóm lại, hiệu ứng kênh ngắn trong MOSFET là do sự hạ thấp của rào thế nhiệt còn trong TFET là do sự thu hẹp lại của