[发明专利]基于层状黑亚磷同质结的亚10nm垂直隧穿晶体管

说明书

本发明公开了一种基于层状黑亚磷同质结的亚10nm垂直隧穿晶体管，由顶栅、底栅、上层二氧化硅、黑亚磷、源极、漏极、下层二氧化硅组成；所述的顶栅位于上层二氧化硅上端，底栅位于下层二氧化硅下端，黑亚磷同质结位于上层二氧化硅与下层二氧化硅之间，源极及漏极分别位于上层二氧化硅与下层二氧化硅区间的左侧和右侧；垂直黑亚磷隧穿场效应管不但能满足国际半导体技术发展路线图低于10nm规模的高功耗的要求，也能满足低功耗应用的要求，并加速基于分层黑亚磷同质结二维隧穿场效应管的实际应用。

技术领域

本发明涉及半导体同质结构，尤其涉及基于层状黑亚磷同质结的亚10nm垂直隧穿晶体管。

背景技术

隧穿场效应管是低功率Post-CMOS计算的候选者之一，因为它可以突破亚阈值摆幅(60mV/dec)的热离子限制。使用二维材料设计隧穿场效应管特别具有吸引力，因为薄体意味着极好的栅极控制，且光滑表面意味着在运输过程中没有载流子陷阱。在垂直二维隧穿场效应管，载流子隧穿发生在具有范德华相互作用的不同层。由于在界面处没有钉扎带，并且两个组件的带可以移动，因此弱层间交互对于载流子隧穿来说是非常重要的。在漏极/栅极电压下自由。与平面器件配置相比，二维异质结的丰富选择意味着隧道势垒高度的灵活调谐。此外，垂直设备架构在技术上更为成熟，并已在实验室中成功实现。2015年，突破性最小亚阈摆幅为3.9mV/dec，平均亚阈摆幅为31.1mV/dec，经过四十年的大流量温度测量，并通过体积锗源和二维二硫化钼通道结合了相应的二极管。后来，具有SnSe₂/WSe₂异质结的垂直二维场效应管的亚阈摆幅最小，为37mV/dec，开/关比率为10⁶，伴随高电流>10^-5A。同质结是垂直二维场效应管的其他器件配置，并且与平面对应物相比应具有更低的漏电流，因为垂直堆叠配置施加了额外的垂直传输屏障。因此，具有同质结的垂直二维场效应管可能更适合于低功耗应用于平面对应物。由于其中等的带隙，各向异性的电子特性和高载流子迁移率，单层黑亚磷是一种很有前途的沟道材料，因为它具有适中的带隙，各向异性的电子特性和高载流子迁移率，这可能导致隧穿场效应管架构中的高导通电流。黑亚磷与其他材料很好地兼容特别是与其他二维材料范德华堆叠，因为有悬空键合的表面，这有利于器件架构。基于平面隧穿场效应管的单层黑亚磷预计即使在亚10nm范围内也是一种非凡的高功耗器件，但低功耗应用的漏电流太高。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种可满足国际半导体技术发展路线图低于10nm规模的高功耗和低功耗要求的基于层状黑亚磷同质结的亚10nm垂直隧穿晶体管。

技术方案：本发明由顶栅、底栅、上层二氧化硅、黑亚磷、源极、漏极、下层二氧化硅组成；所述的顶栅位于上层二氧化硅上端，底栅位于下层二氧化硅下端，黑亚磷同质结位于上层二氧化硅与下层二氧化硅之间，源极及漏极分别位于上层二氧化硅与下层二氧化硅区间的左侧和右侧。

进一步的，所述的黑亚磷(4)同质结为两个部分垂直堆叠的单层黑亚磷。

进一步的，所述的黑亚磷使用六方氮化硼覆盖，PxOy氧化层(通过氧等离子体干蚀刻形成)，以及Al2O3和疏水性含氟聚合物封装的双层封端。

进一步的，使用基于从头算量子传输计算的分层黑亚磷同质结来模拟亚10nm垂直隧穿场效应管。使用在密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法在其框架内进行传输计算，该方法集成在NANOTCAD软件内。