专利名称：利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法
技术领域：
本发明属于纳米级场效应晶体管技术领域，特别涉及调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法。
背景技术：
目前器件的小型化发展成为工业领域的一种趋势，也是一个备受关注的热门课题。特别是纳米器件，例如基于纳米管或纳米线的场效应晶体管，吸引了越来越多的关注。通常，门电压可以调制场效应晶体管的输运特性。然而，随着器件的尺寸降低到纳米级，特别是在含有金属电极和半导体接触的系统中，靠近电极附近的电势分布在输运过程中变得非常重要。图1(a)是这类纳米级场效应晶体管的示意图。其中源极和漏极是金属性的，源极和漏极(统一简称为电极)之间加偏压。器件的本体1是半导体性的，它与源极和漏极分别接触，形成金属半导体接触。器件的本体1分成三类区域分别为接触区A，近接触区B，远离接触区C。门极用来给器件加门电压，从而改变器件本体的静电势能。图1(a)给出一正的门电压引起的器件本体的电子电势能改变的曲线11，其中将与器件本体和电极的接触面平齐的位置设为零点。可以看出，由于金属电极的电压钉扎效应导致在一定门电压下A区和B区的器件本体的电势能改变非常小，也就是说门电压很难调制电极附近的器件本体的电势能，从而使门电压调制体系输运特性的作用变得很有限。对于电子输运的情况，图1(b)给出在不同门电压下电子所感受到的势场，其中2表示金属电极的费米能极的位置，12，13分别表示在门电压Vg1和Vg2下器件本体导带底的位置。由图1(b)可以看出，不论电压多大，在B区总是存在着对电子的势垒，从而严重影响电子的输运。对于空穴输运的情况，一般来说，在B区也存在着势垒。在以往的工作中，曾有人使用类似针尖状的源极和漏极用来增大接触区的电场强度，使其有利于电子隧穿，改善体系的输运特性，但是源极和漏极一般很难做到很小，所以电极的屏蔽效应依然存在；也有人将门极分为几段，在离电极最近的门极上施加较强的门电压，这样一方面无法完全克服金属电极的屏蔽效应，只是将其限制在稍小一些的区域里，因为不管门电压多大，电极的屏蔽效应依然存在，另一方面，要做分段的门极对工艺的要求很高，比如相邻的两段门极之间间隔必须很小且必须是不导通的，因此难以实际应用。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出三种利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，采用直接调制金属表面的特性，有效地提高了纳米器件的输运性能。
本发明提出的第一种利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，包括以下步骤
1)在纳米级场效应晶体管的源极和漏极(统称为电极)的侧表面形成偶极层，用以改变器件本体B区的静电势；2)选择该电极侧表面的偶极层的尺寸和强度，使得电子(或空穴)在B区的隧穿几率最大；3)调节门电压控制场效应晶体管的导通和关闭。
本发明提出的第二种利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，包括以下步骤1)在纳米级场效应晶体管的源极和漏极的上表面形成偶极层，改变器件本体A区的静电势；2)选择该电极上表面偶极层的强度，用以调节A区的导带底(价带顶)相对于电极费米能极的位置，使其有利于电子或空穴从电极注入到器件本体的A区；3)调节门电压控制该场效应晶体管的导通和关闭。
本发明提出的第三种利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，是上述二种方法的组合，包括以下步骤1)在纳米级场效应晶体管的源极和漏极的侧表面和上表面同时形成偶极层；2)选择该电极侧表面的偶极层的尺寸和强度，使得电子或空穴在器件本体B区的隧穿几率最大；同时调节上表面偶极层的强度，使其有利于电子或空穴从电极注入到器件本体的A区。
3)调节门电压控制场效应晶体管的导通和关闭。
本发明的原理本发明主要利用偶极层可以引起器件本体静电势的改变来实现对纳米级场效应管的输运特性的调制。通过本发明的基于密度泛函理论的第一原理方法计算发现，偶极层可以引入额外的静电势，但同时导致电极和器件本体之间的电荷重分配。然而电荷的重分配只能抵消部分电势的改变，所以偶极层的效果是使器件本体的静电势有改变。
本发明的技术特点及效果本发明相比以前的改变纳米级场效应晶体管输运特性的方法主要有以下几个特点第一、电极表面的偶极形成可直接调节器件本体A区(即接触区)和B区(近接触区)的静电势，有效的避免了电极的屏蔽效应，可显著的改变A区和B区的静电势，从而提高纳米级场效应晶体管的输运特性。
第二、在电极上表面的偶极层可以改变A区的静电势，侧表面的偶极层可以改变B区的静电势，A区和B区静电势改变的大小都是可以很方便的利用偶极层的尺寸和强度来调制。
第三、在工艺上比制作针尖状的电极和分段的门极更容易实现。
图1(a)为纳米级场效应晶体管的示意图。
图1(b)为纳米级场效应晶体管在不同门电压下电子所感受到的势场的示意图。
图2(a)为采用本发明方法实施例1在源极和漏极侧面有偶极层时纳米级场效应晶体管的示意图。
图2(b)为实施例1中源极和漏极侧面有偶极层时，不同门电压下电子所感受到的势场的示意图。
图3(a)为采用本发明方法实施例2在源极和漏极上表面有偶极层时纳米级场效应晶体管的示意图。
图3(b)为实施例2在源极和漏极上表面引入偶极层前后A区导带底位置的变化的示意图。
具体实施例方式
本发明提出的利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法结合附图及本实施例采用在电极侧表面上吸附钾原子等容易失电子的原子或分子，在电极侧表面上产生的负电荷201靠近表面，正电荷远离表面的偶极层，如图2(a)所示。如果在电极侧表面上吸附容易得电子的原子或分子，则可以在电极侧表面产生与图2(a)中201所示的相反偶极层。如果极性分子在电极侧表面上的吸附具有一定取向性，则可以通过吸附极性分子来形成偶极，在电极侧表面形成偶极层。或者，采用在电极侧表面引入偶极板，达到形成偶极层的目的。
本发明以形成负电荷靠近表面，正电荷远离表面的偶极层为实施例来说明偶极层对纳米极场效应晶体管输运性质的影响。采用在上述源极和漏极侧面的偶极层201引起的器件本体1的静电势能的变化曲线21如图2(a)所示，其中将与器件本体1和电极(源极或漏极)的接触面平齐的位置设为零点。对于与电极侧表面尺寸相同的偶极层201，它引起的电势在器件本体C区是衰减的，所以电极侧面的偶极层对器件本体C区的静电势影响很小；在器件本体B区，偶极层可以产生很大的电场，从而很强的降低B区的静电势，而且在器件本体B区，可以将偶极层看成无限大，所以偶极层引起的电势几乎不衰减；由于电极的屏蔽效应，电极侧面的偶极层对A区几乎没有影响。
如果引入正电荷靠近表面，负电荷远离表面的偶极层，则可以升高B区的静电势。
2)选择电极侧表面的偶极层的尺寸和强度，使得电子或空穴在B区的隧穿几率最大。
本实施例在基于密度泛函理论的第一原理计算中，以金电极侧表面吸附钾原子来说明对碳纳米管场效应晶体管的性质的影响。计算发现，如果吸附率为每3.6平方纳米的电极上吸附一个钾原子，可以使电极碳纳米管上的电势降低0.37电子伏特。可以通过选择钾原子的吸附率来调节偶极的大小，从而控制器件本体B区(近电极区域)的电势改变的大小。还可以通过选择电极的尺寸来调节偶极层的尺寸，从而控制B区电势改变的区域。偶极层的有效作用区域的长度约等于偶极层的面积的平方根，选择偶极层的尺寸使偶级层的有效区域约为B区的长度，这样便能改变整个B区的电势。电极侧面有偶极层时，不同门电压下电子所感受到的势场如图2(b)所示，其中22，23分别表示在门电压Vg1和Vg2下，且电极侧面有偶极层时，器件本体导带底的位置。对比图2(b)和图1(b)，可以看出在电极侧面引入偶极层可以显著改变器件本体B区的势场。因此可以通过选择偶极层的强度，使B区的器件本体导带底的位置与电极(源极或漏极)的费米面2接近(尽可能齐平最好)，如图2(b)的22，23所示，从而使得电子在B区的隧穿几率最大。
如果引入正电荷靠近表面，负电荷远离表面的偶极层，则可以选择电极侧表面的偶极层的尺寸和强度使B区的器件本体价带顶的位置与电极(源极或漏极)的费米面接近(尽可能齐平最好)，从而使得空穴在B区的隧穿几率最大。
3)再通过调节门电压来控制纳米级场效应晶体管是导通还是关闭。
当B区的电子隧穿几率达到最大后，当加正的门电压使器件本体C区的导带底相平或低于电极的费米面，此时器件即处于导通状态；当加负的门电压使C区的器件本体的导带底高于电极的费米面，此时，电子从源极传输到漏极需要克服C区的势垒，所以纳米级场效应晶体管将处于关闭状态。或者，当B区的空穴隧穿几率达到最大后，当加门电压使器件本体C区的价带顶相平或高于电极的费米面，此时器件即处于导通状态；当加门电压使C区的器件本体的价带顶低于电极的费米面，此时，空穴从源极传输到漏极需要克服C区的势垒，所以纳米级场效应晶体管将处于关闭状态。用这种方法，可以使门电压有效的控制C区的电势，从而控制纳米级场效应晶体管的导通和关闭，使其不受B区的势垒的影响(上述调节门电压属于常规方法)。
实施例2包括以下步骤1)在纳米级场效应晶体管的源极和漏极的上表面形成偶极层301，如图3(a)所示。具体方法可采用实施例1中形成偶极层的方法中的任一种。
在上述源极和漏极的上表面的偶极层引起的器件本体的静电势的变化曲线31如图3(a)所示，其中将与器件本体和电极的接触面齐平的位置设为零点。电极上表面的偶极层主要改变A区的静电势。
2)选择电极上表面偶极层的强度，用以调节器件本体A区的导带底(价带顶)相对于电极费米能极的位置，使其有利于电子或空穴从电极注入到器件本体的A区，从而提高器件的输运特性。
本实施例在基于密度泛函理论的第一原理计算中，以金电极上表面吸附钾原子来说明对碳纳米管场效应晶体管的性质的影响。计算发现，如果吸附率为每0.4平方纳米的电极上吸附一个钾原子，则可以将器件本体A区的碳纳米管上的电势降低0.25-0.39电子伏特。同实施例1中的方法，可通过改变面偶极层的强度来改变器件本体的电势的改变。器件本体A区的导带底在偶极层引入前后的相对位置的变化如图3(b)所示，其中，32为上表面无偶极层时的导带底位置，33为上表面有偶极层时的导带底的位置。本实施例调节偶极层的强度，使器件本体A区导带底与电极(源极或漏极)的费米面接近(尽可能齐平最好)，这样将有利于电子从电极注入到器件本体A区，从而提高器件的输运特性。
如果引入正电荷靠近表面，负电荷远离表面的偶极层，则可以选择电极上表面的偶极层的强度使器件本体A区价带顶与电极(源极或漏极)的费米面接近(尽可能齐平最好)，这样将有利于空穴从电极注入到器件本体A区，从而提高器件的输运特性。
3)调节门电压控制器的导通和关闭。具体方法采用实施例1相同的方法。
实施例3是将实施例1、2组合应用，在纳米级场效应晶体管的源极和漏极的侧表面和上表面同时形成偶极层，具体形成偶极层的方法，调节该电极表面偶极层的尺寸和强度，以及调节门电压控制器的导通和关闭，均可采用实施例1和2中的具体方法步骤。
权利要求
1.一种利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，其特征在于，包括以下步骤1)在纳米级场效应晶体管的源极和漏极的侧表面形成偶极层，用以改变器件本体B区的静电势；2)选择该电极侧表面的偶极层的尺寸和强度，使得电子或空穴在所述B区的隧穿几率最大；3)调节门电压控制场效应晶体管的导通和关闭。
2.如权利要求1所述的利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，其特征在于，所述步骤1)中形成偶极层的方法为通过在电极上吸附原子、分子，或引入偶极平板形成偶极层。
3.如权利要求2所述的利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，其特征在于，所述通过在电极上吸附原子形成偶极层的方法为在电极上吸附钾原子，形成在电极表面上产生的负电荷靠近表面，正电荷远离表面的偶极层。
4.如权利要求1所述的利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，其特征在于，所述步骤2)选择电极侧表面的偶极层的尺寸和强度，使得电子在B区的隧穿几率最大的方法为通过选择偶极层的强度，使B区的器件本体导带底的位置调到与电极的费米面相接近或齐平。
5.如权利要求1所述的利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，其特征在于，所述步骤3)调节门电压来控制器件是导通还是关闭的方法为当加正的门电压使器件本体C区的导带底调到电极的费米面相平或低于电极的费米面，纳米级场效应晶体管处于开启状态；当加负的门电压使C区的器件本体的导带底高于电极的费米面，纳米级场效应晶体管处于关闭状态。
6.一种利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，包括以下步骤1)在纳米级场效应晶体管的源极和漏极的上表面形成偶极层，改变器件本体A区的静电势；2)选择该电极上表面偶极层的强度，用以调节A区的导带底相对于电极费米能极的位置，使其有利于电子或空穴从电极注入到器件本体的A区；3)调节门电压控制该场效应晶体管的导通和关闭。
7.如权利要求6所述的利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，其特征在于，所述步骤1)中形成偶极层的方法为通过在电极上吸附原子、分子，或通过引入偶极平板形成偶极层。
8.如权利要求6所述的利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，其特征在于，所述步骤2)中选择该电极上表面偶极层的强度的方法为，调节偶极层的强度，使器件本体A区导带底与电极的费米面相接近或齐平。
9.一种利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，包括以下步骤1)在纳米级场效应晶体管的源极和漏极的侧表面和上表面同时形成偶极层；2)选择该电极侧表面的偶极层的尺寸和强度，使得电子或空穴在器件本体B区的隧穿几率最大；同时调节上表面偶极层的强度，使其有利于电子从电极注入到器件本体的A区。3)调节门电压控制场效应晶体管的导通和关闭。
10.如权利要求9所述的利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，其特征在于，所述步骤1)中形成偶极层的方法为通过在电极上吸附原子、分子，或通过引入偶极平板形成偶极层。
全文摘要
本发明涉及利用偶极效应调制纳米级场效应晶体管的输运特性的方法，属于纳米级场效应晶体管技术领域。本方法包括在纳米级场效应晶体管的源极和漏极的表面形成偶极层，用以改变器件本体B区或A区的静电势；选择该电极表面的偶极层的强度，使得电子或空穴在B区的隧穿几率最大或利于电子或空穴从电极注入到器件本体的A区；调节门电压控制场效应晶体管的导通和关闭。本发明采用直接调制金属表面的特性，有效地提高了纳米器件的输运性能。且在工艺上比制作针尖状的电极和分段的门极更容易实现。
文档编号H01L21/335GK1851928SQ200610076198
公开日2006年10月25日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年4月28日
发明者吴健, 杨莉, 段文晖, 顾秉林 申请人:北京芯技佳易微电子科技有限公司