[发明专利]非对称峰值掺杂的二硫化钼隧穿场效应管

说明书

本发明公开了一种非对称峰值掺杂的二硫化钼隧穿场效应管，包括半导体衬底、本征二硫化钼纳米条带、源极、漏极以及两个栅极，在半导体衬底上从临近源极一端向临近漏极一端依次为P型重掺杂区、非对称峰值掺杂区、本征二硫化钼纳米条带和N型重掺杂区，通过施加电场使源区和漏区之间形成导电沟道，两个栅极分别位于沟道的两侧，用于控制沟道中的电流，在沟道和栅极之间还设有栅氧化层。本发明具有较大的开关电流比、较低的漏电流、较小的次阈值摆动、较高的截止频率和较小的延迟时间，因此具有更优秀的栅极控制能力和开关特性，能有效抑制短沟道效应和热载流子效应。

技术领域

本发明涉及一种二硫化钼场效应管，尤其涉及一种采用二硫化钼条带结构加非对称峰值掺杂的隧穿场效应管。

背景技术

近年来，石墨烯因其卓越的电子和机械性能而引起了科学家和工程师的极大兴趣。这种二维材料提供的创纪录的高电子迁移率和出色的静电控制使其非常适合用作场效应晶体管，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。但是，它的体积形式没有带隙，这是逻辑开关的基本特征。因此，单层二硫化钼晶体管的首次演示将逻辑器件社区的注意力从石墨烯转向过渡金属二硫化物。过渡金属二硫化物具有分层结构，因此它们具有许多与石墨烯相同的优点，但同时也有着一个显着差异：许多过渡金属二硫化物是具有大带隙的半导体，通常在1和2eV之间。过渡金属二硫化物及其范德瓦尔斯异质结构已经证明了它们在各种应用中的优势，如发光二极管，激光器，光电探测器，光伏，生物传感器，热和机械能量收集器，超级电容器，或作为水分解的催化剂。人们相信它们将在未来的低功耗电子器件中作为存储器或带间隧道晶体管发挥重要作用。二维电子器件的优势预计会在低于10纳米的栅极长度范围内加强，采用数值模拟检查这些装置可以高精度的预测它们的最终性能。由于实现了分离的石墨烯单层，准二维(2-D)层状材料引起了很多关注。二硫化钼属于二维层状过渡金属二硫化物。单层MoS₂由六角形排列的Mo和S原子的原子片形成，它们以S-Mo-S夹层堆叠在一起。两个相邻的MoS₂单层通过范德华力弱键合，允许从大块MoS₂中剥离单层。由于它们的原子级厚度，单层MoS₂提供高精度的静电栅极控制，使它们成为有希望的低压开关材料。最近，已经实现了单层和多层MoS₂晶体管，具有高迁移率，高开关电流比和良好的亚阈值斜率。

随着半导体器件集成度越来越高，器件的设计尺寸随着摩尔定律迅速减小，传统的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)结构无法在保持较好的高频特性和较强栅控能力的同时克服器件尺寸缩小时的短沟道效应。当场效应晶体管的栅长缩小到45nm以下时，会受到载流子波尔兹曼热分布的限制，以及亚阈值摆幅(Subthreshold Swing,SS)的存在，都会严重影响到MOSFET器件在相应的栅电压下的开关速率，并导致MOSFET的漏电流随着电源电压的降低呈指数增长，从而极大增加了静态功耗。

近年来科学家们一直尝试用隧穿场效应晶体管(Tunneling Field EffectTransistor,TFET)来代替MOSFET。隧穿效应，也称作势垒贯穿效应，是一种载流子贯穿势垒的现象。在量子学中，电子具有波动性，电子的运动形式可通过薛定谔方程的波函数来表述。通过解方程可以算出电子穿过势垒的概率，并发现随着势垒宽度的增加，该概率呈指数衰减。同时隧穿场效应管的工作原理与传统MOSFET有着本质的区别，MOSFET是通过载流子的扩散漂移来实现工作，而TFET器件是由隧穿带形成的工作电流是隧穿电流。再从工作原理上来看，由于TFET的开启电流与温度不依赖于指数，导致其亚阈电流与载流子热分布的没有丝毫关系，因此可实现相对小的亚阈值摆幅，从而降低工作电压，减小器件的关断电流，并大大减少静态器件的功耗。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种非对称峰值掺杂的二硫化钼隧穿场效应管，能够实现较小的漏电流、更短的延迟时间和更强的栅控能力。