巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 許明坤巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 毛雷鳴 葉 松 陳 宇

1.引言

半導(dǎo)體硅材料是微電子、光電子領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料，而半導(dǎo)體硅納米線(xiàn)具有優(yōu)良的光電性質(zhì)和成熟的制備技術(shù)。多年以來(lái)，人們對(duì)硅納米線(xiàn)的制備及相關(guān)器件應(yīng)用進(jìn)行了大量而卓有成效的研究，取得了豐富的研究成果。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體硅納米線(xiàn)在電子器件[1-2]、光電器件[3-4]、生物及化學(xué)傳感器[5]、能量?jī)?chǔ)存及轉(zhuǎn)換等器件[6]方面都有非常廣泛的應(yīng)用前景。而基于半導(dǎo)體硅納米線(xiàn)的光電器件、電子器件、傳感器件應(yīng)用是以硅納米線(xiàn)的電學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)的，因此硅納米線(xiàn)的電學(xué)特性是其中關(guān)鍵因素。而硅納米線(xiàn)的電學(xué)特性取決于納米線(xiàn)制備過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部和表面缺陷，因此需要精確控制納米線(xiàn)的生長(zhǎng)條件以期望獲得高結(jié)晶質(zhì)量的硅納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)。本文利用 Comsol Multiphysics對(duì)硅納米線(xiàn)的電學(xué)性質(zhì)及基于硅納米線(xiàn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電學(xué)特性進(jìn)行了仿真模擬。并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2.參數(shù)設(shè)置

我們以直徑為100nm的P型單晶硅納米線(xiàn)作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了以單根硅納米線(xiàn)作為導(dǎo)電通道的納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)（FET）。硅納米線(xiàn)的摻雜濃度為1016cm-3。漏極和源極之間的距離為1um，即場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電通道長(zhǎng)度是1um；柵極介質(zhì)層為100nm厚的SiO2。我們模擬了不同條件下空穴和電子濃度的分布圖以及硅納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線(xiàn)及轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析討論，我們可以進(jìn)一步的了解半導(dǎo)體硅納米線(xiàn)的電學(xué)特性以及基于半導(dǎo)體硅納米線(xiàn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本特性。

3.結(jié)果分析與討論

3.1 載流子濃度分布

圖1為柵極電壓Vg=-2V時(shí)，硅納米線(xiàn)中空穴濃度的分布示意圖。由圖1可以看出，當(dāng)柵極電壓為Vg=-2V時(shí)，納米線(xiàn)內(nèi)部空穴濃度要遠(yuǎn)小于表面空穴濃度。即，空穴主要集中分布在靠近柵極一側(cè)的硅納米線(xiàn)外表面附近，這是由于在-2V的柵極電壓作用下帶正電的空穴由硅納米線(xiàn)的內(nèi)部向外表面定向移動(dòng)后聚集在納米線(xiàn)表面的結(jié)果。這表明柵極電壓對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電通道中載流子具有調(diào)控作用，通過(guò)對(duì)導(dǎo)電通道中載流子的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出漏極電流Id的控制。

圖1 半導(dǎo)體硅納米線(xiàn)中空穴濃度分布

圖2 半導(dǎo)體納米線(xiàn)電子濃度分布圖

圖3 硅納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出特性曲線(xiàn)

圖2為硅納米線(xiàn)中電子濃度分布示意圖，由圖2給出的電子濃度分布示意圖可知，在柵極電壓Vg=-2V，源漏電壓Vsd=1V的條件下，硅納米線(xiàn)內(nèi)部的電子濃度遠(yuǎn)大于納米線(xiàn)表面的電子濃度，即納米線(xiàn)中的電子主要集中分布在納米線(xiàn)內(nèi)部而遠(yuǎn)離柵極。這主要是由于在反向柵極電壓的作用下，電子可以由納米線(xiàn)表面向內(nèi)部定向移動(dòng)并集聚在硅納米線(xiàn)內(nèi)部。

3.2 場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出特性

圖3給出了不同柵極電壓時(shí)硅納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線(xiàn)，可以看出，隨著Vsd的增加，輸出電流Id不斷增加。而當(dāng)Vsd不變時(shí)，隨著反向柵極電壓Vg的增加，輸出電流Id也會(huì)隨之增加。這是因?yàn)镻型硅納米線(xiàn)作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電通道時(shí)，導(dǎo)電載流子為帶正電的空穴，我們還計(jì)算了在Vg=0V時(shí)的硅納米線(xiàn)的電導(dǎo)率，其計(jì)算公式如下所示：

其中，ρ是硅納米線(xiàn)的電阻率，是納米線(xiàn)的截面積，是納米線(xiàn)長(zhǎng)度。

根據(jù)半導(dǎo)體物理理論可知，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率主要與其載流子濃度及遷移率相關(guān)，其公式如下：

其中，n為室溫下多數(shù)載流子濃度。在室溫時(shí)，摻雜的B原子空穴能夠被完全電離，即半導(dǎo)體硅中的多數(shù)載流子為電離得到的空穴濃度，與半導(dǎo)體的摻雜濃度相等，即n=1016cm-3為半導(dǎo)體納米線(xiàn)中的載流子濃度，即空穴濃度。因此，可以計(jì)算得出室溫下半導(dǎo)體硅納米線(xiàn)的載流子遷移率為：

3.3 納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移特性

場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性是其基本特性。因此，我們研究了不同漏極電壓下的轉(zhuǎn)移特性。其轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 半導(dǎo)體硅納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)

由圖4可知，當(dāng)柵極加反向電壓時(shí)，隨著電壓Vg增加漏極電流Id逐漸增大。當(dāng)Vg增加到一定數(shù)值時(shí)，漏極電流Id達(dá)到飽和狀態(tài)后就基本不再隨柵極電壓Vg得變化而變化。因此我們可以判斷硅納米線(xiàn)導(dǎo)電通道中是帶正電的空穴導(dǎo)電。這與我們的模型設(shè)計(jì)相一致。

當(dāng)柵極電壓Vg為正值時(shí)，隨著電壓增加，漏極電流Id逐漸減小。在漏極電壓為Vsd=1V時(shí)，柵極電壓在1.6V附近時(shí)，漏源電流Id降至為10-12A，導(dǎo)電通道基本上處于關(guān)閉狀態(tài)。在漏源電壓為2V時(shí)，柵極電壓在2.6v附近，漏源電流Id降至為10-12A，導(dǎo)電通道關(guān)閉。在漏源電壓為3V時(shí)，柵極電壓在3.6v附近，漏源電流Id降至為10-12A，導(dǎo)電通道關(guān)閉。因此，當(dāng)漏極電壓Vsd越大時(shí)，需要更大的Vg才能關(guān)斷納米線(xiàn)導(dǎo)電通道。在不同漏源電壓Vsd下均可以得到的電流開(kāi)關(guān)比為：

同時(shí)，平面硅納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管的載流子遷移率可以根據(jù)公式(3)獲得[7]：

其中，r為平面硅納米線(xiàn)的半徑，h為氧化層厚度。L為導(dǎo)電通道長(zhǎng)度，為真空介電常數(shù)，為介質(zhì)層SiO2介電常數(shù)。

根據(jù)這種模型得到了得空穴遷移率的最大值為393cm2/Vs，這與根據(jù)公式（2）所得到的載流子遷移率基本一致。這表明我們?cè)O(shè)計(jì)的半導(dǎo)體硅納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管模型是合理的，這為我們研究硅納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

4.結(jié)論

本文利用Comsol Multiphysics軟件構(gòu)建了基于半導(dǎo)體硅納米線(xiàn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管并對(duì)其電學(xué)特性進(jìn)行了仿真。由仿真結(jié)果可知，理想的硅納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的具有很好的轉(zhuǎn)移特性，轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)證明了硅納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電通道中是帶正電的空穴參與導(dǎo)電，其電流的開(kāi)關(guān)比高達(dá)107。由轉(zhuǎn)移特曲線(xiàn)得到的載流子最大遷移率為393cm2/Vs，與計(jì)算結(jié)果基本一致。