本发明涉及黑磷场效应管领域，尤其是涉及到黑磷场效应管的双材料氧化层结构。
背景技术：
迄今为止，传统的si-cmos器件已经用于半导体工业。但是现在由于一些挑战和局限性，要跟上摩尔定律是非常困难的。许多研究表明，导体型的黑磷可以用作场效应管的沟道材料，黑磷场效应管将成为cmos器件的有力竞争者。相比于硅基材料，黑磷场效应管在器件内部电子的输运机制近似于弹道输运，黑磷场效应管能获得更高的驱动电流，更快的响应速度，以及功耗的显著下降。因此黑磷场效应管具有超出硅管的卓越性能，有相当的工业应用前景。
在场效应管的性能中，漏电流是一个重要的设备参数，由于持续的扩展而受到很大的影响。为了保持较大的开态电流和减少短沟道效应，需要将氧化层厚度按比例进行扩展。栅极介电层漏电流随着氧化层厚度的降低而增加，成为关态电流最重要的产生者。芯片上的数以百万晶体管的漏电流会导致很大的功率损耗从而烧坏芯片。
技术实现要素：
发明目的：针对传统纳米器件结构在扩张过程中为了保持较大的开态电流和减少短沟道效应不得不增加氧化层厚度，从而导致漏电流增加的问题，本发明提供一种双材料氧化层结构的黑磷场效应管。
技术方案：一种双材料氧化层结构的黑磷场效应管，包括导电沟道、源区、漏区、栅极氧化层、源极、漏极、栅极；所述导电沟道、源区、漏区均采用本征半导体黑磷；源区和漏区分别位于导电沟道两端，且源区和漏区为重掺杂区域，导电沟道不掺杂；栅极氧化层位于导电沟道、源区、漏区外，栅极氧化层包括高介电常数栅极氧化层和低介电常数栅极氧化层；高介电常数栅极氧化层位于源区及导电沟道靠近源区的部分外；低介电常数栅极氧化层位于漏区及导电沟道靠近漏区的部分外；栅极为位于栅极氧化层外的金属电极；位于源区和漏区外的栅极氧化层上分别刻蚀有源极引线孔和漏极引线孔，源极为位于源极引线孔处的金属电极，漏极为位于漏极引线孔处的金属电极。
进一步的，高介电常数栅极氧化层和低介电常数栅极氧化层的横向长度相等；高介电常数栅极氧化层和低介电常数栅极氧化层覆盖的导电沟道的部分大小相同。
进一步的，所述栅极同时与高介电常数栅极氧化层和低介电常数栅极氧化层相接触。
进一步的，所述源区和漏区同为n型重掺杂区域或同为p型重掺杂区域。
进一步的，高介电常数栅极氧化层的介电常数大于3.9，低介电常数栅极氧化层的介电常数小于3.9。
进一步的，高介电常数栅极氧化层采用hfo2；低介电常数栅极氧化层采用sio2。
有益效果：本发明提供的一种双材料氧化层结构的黑磷场效应管，相比较现有技术，利用了具有高低介电常数的材料的不同优点。其中，栅极长度被分成两个相等的部分，漏极侧(右侧)的栅极电介质选自具有低介电常数的材料以降低漏极附近的沟道上的电容，而源极侧(左侧)的栅极电介质选自具有高介电常数来改善导通电流和减少漏电流。本发明提出的双材料氧化层结构黑磷场效应管具有更高的栅极，源极和漏极电容。与具有低介电常数的传统黑磷场效应管相比，双材料氧化层结构黑磷场效应管具有更高的ion/ioff比、跨导、移动电荷和平均速度；与具有高介电常数的传统黑磷场效应管相比，双材料氧化层结构黑磷场效应管具有更低的量子电容，更小的固有延迟时间和更短的功率延迟。具有高介电性的栅极绝缘材料将增加栅极电容，从而减少漏电流；使用具有较低介电常数的材料作为栅极介电材料可以减少寄生电容。
附图说明
图1为本发明的器件结构模型示意图；
图1中：导电沟道(1)；源区(2)；漏区(3)；高k栅极氧化层hfo2(41)；低k栅极氧化层sio2(42)源极s；漏极d；栅极g；
图2为基于非平衡格林函数(negf)的自洽迭代求解过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，双材料氧化层结构的黑磷场效应管整体为片状结构，包括导电沟道1、源区2、漏区3、栅极氧化层4、源极5、漏极6、栅极7；所述导电沟道1、源区2、漏区3均采用本征半导体黑磷；源区2和漏区3分别位于导电沟道1两端，且源区2和漏区3为n型重掺杂区域，掺杂浓度相同，黑磷场效应管中间部分为导电沟道1，导电沟道1区域不掺杂；栅极氧化层4位于导电沟道1、源区2、漏区3外，栅极氧化层4包括高k栅极氧化层hfo241和低k栅极氧化层sio242；高k栅极氧化层hfo241位于源区2及导电沟道1靠近源区2的部分外；低k栅极氧化层sio242位于漏区3及导电沟道1靠近漏区3的部分外。
从沟道横向方向看(即图1中从左到右的方向)，栅位于黑磷场效应管沟道区的中间，长度等于沟道区长度。在所述的导电沟道1、源区2和漏区3外，栅极氧化层4采用原子沉积等方法生成，包括高k栅极氧化层hfo241、低k栅极氧化层sio242，两者的横向长度相等，高k栅极氧化层hfo241和低k栅极氧化层sio242覆盖的导电沟道1的部分大小相同。在高k栅极氧化层hfo241、低k栅极氧化层sio242外再沉淀一层金属电极，作为双材料氧化层结构的黑磷场效应管的栅极7(g)，所述栅极7同时与高k栅极氧化层41和低k栅极氧化层42相接触。在位于源区2和漏区3之上的栅极氧化层4上分别刻蚀一源极引线孔和漏极引线孔，在该源极引线孔内制备所述的源极5(s)，在漏极引线孔内制备所述的漏极6(d)。
为了验证该结构具有更好的技术效果，对场效应管进行如下仿真：
如图2所示，所述的场效应管的仿真是通过在实空间下构建紧束缚哈密顿量，然后基于非平衡格林函数方法，自洽迭代求解泊松和薛定谔方程组，求取系统的电学参量。所述的双材料氧化层包括一种高介电常数材料和一种低介电常数材料，靠近源极采用高k介电材料hfo2，靠近漏极部分采用低k介电材料sio2，高k栅极氧化层hfo2和低k栅极氧化层sio2的长度相等，共同组成完整的双材料氧化层。
模型的计算是利用非平衡格林函数(negf)方法，在开放边界条件下，自洽求解泊松和薛定谔方程。具体过程是给定一个初始沟道电势，利用negf方程计算出其电荷密度，再将电荷密度代入泊松方程求解出硅沟道中的静电势，然后又将求得的电势重新代入negf方程中进行计算，如此反复迭代直到得到自洽解为止。
该模型的计算是利用非平衡格林函数(negf)方法，在开放边界条件下，自洽求解三维泊松和薛定谔方程。具体过程是给定一个初始沟道电势，利用negf方程计算出其电荷密度，再将电荷密度代入泊松方程求解出黑磷场效应管沟道中的静电势，然后又将求得的电势重新代入negf方程中进行计算，如此反复迭代直到得到自洽解为止。在选定了合适的基组和用于描述沟道的哈密顿量以及自能项后，对于给定的自洽电势，系统的迟滞格林函数有如下形式：
g(e)＝[(e+i0+)i-h-u-∑s-∑d]-1(1)
式中e为能量，i是单位矩阵，u是解泊松方程得出的电势的对角矩阵，∑s和∑d分别为器件源和漏电极贡献的自能项，可根据表面格林函数通过迭代求出。
在紧束缚近似下，描述黑磷场效应管沟道的哈密顿矩阵[hsl]可表示为三对角矩阵的形式：
其中n为纳米带宽度中所含磷原子数目，nt是器件沟道内的原子总数等于传输方向上单位单元数的2n倍，αsl是带状宽度上每个独立单位组成的列，是一个是2n阶的对角矩；[βsl]是2n阶的对角矩阵用来描述两个列之间的耦合关系；[αu]是每个独立单元的哈密顿矩阵；[βu，w]描述了在宽度方向上每两个相邻单位单元之间的相互作用；[βu，l]描述了在运输方向上每两个相邻单位单元之间的相互作用；
另外，扶手型黑磷场效应管的能带结构在紧束缚近似下可以表示为：
其中，k是动量，αsl和βsl如前所述。我们使用格林函数来数值计算透射率和电子密度。然后，将电子密度放入泊松方程中以找出器件中的电势。电子密度和化学势在经过多次迭代后自洽地确定。当达到量子输运方程和泊松方程之间的自洽性时，通过使用如下的landauer公式计算源漏电流密度：
其中q是电子电荷，h是普朗克常量，t(e)是电子通过沟道的透射系数：
t(e)＝trace[γs(e)g(e)γd(e)g′(e)](7)
其中γs(d)是每个接触利用自能矩阵进行数值计算的扩张数量。
在上述量子模型框架下，仿真结果表明，与具有低介电常数的传统黑磷场效应管相比，所提出的双材料氧化层结构黑磷场效应管具有更高的栅极，源极和漏极电容，具有更高的ion/ioff比、跨导、移动电荷和平均速度；与具有高介电常数的传统黑磷场效应管相比，双材料氧化层结构黑磷场效应管具有更低的量子电容，更短的开关延迟时间和更短的功率延迟。