论文部分内容阅读
目前,纳米线场效应晶体管被认为最有可能取代传统MOSFET的新型器件之一。应变作为一种调制器件性能的手段,对于环绕型纳米线晶体管的特性影响亟待深入的研究。
本论文针对此需求,建立了一套从应变分布计算、应变下电子结构计算到输运特性计算的模拟方法以及相应的模拟平台。其中,包含了晶格失配应力、热残余应力、环绕应力下等不同来源的应变分布计算、能带结构计算、迁移率计算。利用该模拟平台研究了Ge和Si等不同材料、不同工艺、不同生长轴向的纳米线晶体管的特性,其中包括高k/金属栅结构的Si纳米线、Ge纳米线,芯.壳结构纳米线等器件的应变分布、电子结构、空穴有效质量、态密度,以及外加偏置下纳米线器件中空穴浓度分布、电势分布、声子散射和表面粗糙散射下空穴迁移率变化情况。
本论文的创新性工作主要包括:
(1)基于连续弹性介质模型,针对晶格失配应力、环绕应力、热残余应力等多种应力来源,建立了统一的纳米线结构中应变分布计算模型及有限元算法;发展了适用于纳米线结构,并且计入不同应力来源的6×6k·p电子结构计算方法,建立了计算Si纳米线、Ge纳米线、不同环绕材料、不同工艺、不同结构的纳米线电子结构计算程序;基于Kubo-Greenwood公式,建立了计入表面粗糙散射的迁移率模型,实现了纳米线结构中计入声子散射和表面粗糙散射机制下的有效迁移率计算;此模拟平台可以适用于不同材料、不同生长轴向、不同应力来源的纳米线结构器件。
(2)研究了纳米线结构中不同应变分量εxx,εxy,εyy,εzz对纳米线能带结构的影响,归纳出了影响最为显著的应变分量;研究了不同生长轴向的Si纳米线、Ge纳米线的能带结构、外加偏置下的静电分布和有效迁移率,归纳了环绕应变对于不同生长轴向纳米线的影响规律,给出了迁移率高的轴向和易受应力影响的轴向;
(3)系统研究了晶格失配应力、热残余应力、环绕应力等不同应力来源的纳米线器件中的应变分布、能带结构,探讨了不同来源的应力对纳米线器件静电特性的影响;
(4)系统研究了不同半径、有无应力、不同材料、不同工艺等条件变化下的纳米线器件中有效空穴迁移率,分析了不同来源的应力对纳米线器件中有效空穴迁移率的影响;研究了表面粗糙散射对于纳米线器件有效空穴迁移率的影响;
(5)研究了Ge-Si1-xGe芯-壳结构纳米线的特性,讨论了壳层厚度和组分对芯纳米线性能的影响。
上述研究内容和研究结果对尺寸越来越小的纳米线晶体管的设计具有重要的指导意义。