nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các tranzito trường xuyên hầm với cấu trúc dị chất Si/SiGe sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT

NGUYỄN THỊ THU

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG KÊNH NGẮN TRONG
CÁC TRANZITO TRƯỜNG XUYÊN HẦM VỚI CẤU
TRÚC DỊ CHẤT Si/SiGe SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP
MÔ PHỎNG HAI CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ KỸ THUẬT

Lâm Đồng–2017


i

BÌA PHỤ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG KÊNH NGẮN TRONG CÁC
TRANZITO TRƯỜNG XUYÊN HẦM VỚI CẤU TRÚC
DỊ CHẤT Si/SiGe SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ
PHỎNG HAI CHIỀU

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
Mã số: 60.52.04.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đăng Chiến
Học viên thực hiện: Nguyễn Thị Thu


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Đăng Chiến,
người đã trực tiếp chỉ dạy, hướng dẫn và cung cấp kiến thức nền tảng cho tôi trong
suốt thời gian qua để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn các thầy, cô trong khoa Sau Đại Học, Trường Đại Học Đà Lạt
đã giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời
gian học tập tại trường.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên và
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Lâm Đồng, ngày 10 tháng 2 năm 2017

Nguyễn Thị Thu


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS.
Nguyễn Đăng Chiến.
Những kết quả nghiên cứu của người khác và các số liệu được trích dẫn trong luận
văn đều được chú thích đầy đủ.
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này.
Lâm Đồng, ngày 10 tháng 2 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Thị Thu


iv

MỤC LỤC
BÌA PHỤ .................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ iii
MỤC LỤC............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.................................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................vii
TÓM TẮT .............................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................... 3
1.2 Thuận lợi của TFET ....................................................................................... 5
1.3 Mục tiêu của luận văn .................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG...................................................... 9
2.1 Phần mềm mô phỏng ..................................................................................... 9
2.2 Mẫu vật lý trong mô phỏng .......................................................................... 11
2.2.1 Cơ chế chuyển dịch của điện tử trong chất bán dẫn .............................. 11
2.2.2 Mẫu xuyên hầm Kane ............................................................................ 13
2.3 Phương pháp mô phỏng ............................................................................... 14
CHƯƠNG 3: CƠ CHẾ CỦA HIỆU ỨNG KÊNH NGẮN TRONG TFET ....... 16
3.1 Cơ chế của hiệu ứng kênh ngắn ................................................................... 16
3.1.2 Hiệu ứng kênh ngắn .............................................................................. 19
3.2 Sự phụ thuộc vào các tham số linh kiện của hiệu ứng kênh ngắn ................. 22
3.2.1 Điện môi cổng ....................................................................................... 22
3.3 Sự phụ thuộc vào cấu trúc linh kiện của hiệu ứng kênh ngắn ....................... 27

3.4 Sự phụ thuộc vào vật liệu linh kiện của hiệu ứng kênh ngắn. ....................... 29
3.5 Sự phụ thuộc vào hiệu điện thế máng-nguồn linh kiện của hiệu ứng kênh
ngắn. .................................................................................................................. 31
CHƯƠNG 4: HIỆU ỨNG KÊNH NGẮN TRONG CÁC TFET CẤU TRÚC DỊ
CHẤT Si/SiGe LOẠI P VÀ N ............................................................................. 35
4.1 Tăng dòng dẫn nhờ cấu trúc Si/SiGe ............................................................ 35


v

4.2 TFET dùng chuyển tiếp dị chất gián đoạn Si/SiGe. ...................................... 37
4.3 TFET dùng chuyển tiếp dị chất liên tục Si/SiGe. .......................................... 41
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 45
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 47


vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết tắt đầy đủ bằng

Chữ viết tắt đầy đủ bằng

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Metal-Oxide-Semiconductor

Tranzito hiệu ứng trường kim

Field-Effect Transistor

loại-ôxít-bán dẫn

Tunnel Field-Effect Transistor

Tranzito trường xuyên hầm

VDD

Power Supply Voltage

Điện áp nguồn cấp

SS

Subthreshold Swing

Độ dốc dưới ngưỡng

Band-To-Band-Tunneling

Xuyên hầm qua vùng cấm

SCE

Short-Channel Effect

Hiệu ứng kênh ngắn

Iamb

Ambipolar Leakage Current

Dòng rò lưỡng cực

Ion

On-Current

Dòng điện mở

Ioff

Off-Current

Dòng điện tắt

Equivalent Oxide Thickness

Độ dày ô-xít tương đương

Oxide Thickness

Độ dày lớp ô-xít

SOI

Silicon On Insulator

Silicon trên lớp cách điện

Vgs

Gate-to-Source Voltage

Hiệu điện thế cổng nguồn

Lg

Channel Length

Chiều dài kênh

International Technology

Dự báo quốc tế về công nghệ

Roadmap for Semiconductors

bán dẫn

MOSFET
TFET

BTBT

EOT
tox

ITRS


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phác họa đặc tính dòng-thế của MOSFET và TFET…………………….5
Hình 2.1. Chất bán dẫn có (a) vùng cấm trực tiếp và (b) vùng cấm gián tiếp…….12
Hình 3.1. Cấu trúc đặc trưng của (a) MOSFET truyền thống và (b) linh kiện mới
TFET sử dụng silicon……………………………………………………….............17
Hình 3.2. Đặc tính dòng-thế của (a) MOSFET và (b) TFET kênh dài…………….18
Hình 3.3. Giản đồ năng lượng của (a) MOSFET và (b) TFET tại các trạng thái tắt và
mở ở chiều dài kênh Lg=200 nm. ........................................................................... 19
Hình 3.4. Đặc tính dòng-thế của (a) MOSFET và (b) TFET với chiều dài kênh (Lg)
khác nhau. ............................................................................................................. 20
Hình 3.5. Giản đồ năng lượng của (a) MOSFET và (b) TFET tại trạng thái tắt với
chiều dài kênh (Lg) khác nhau................................................................................ 21
Hình 3.6. Đặc tính dòng-thế của các TFET với chiều dài kênh (Lg) khác nhau. .... 22
Hình 3.7. Giản đồ năng lượng tại trạng thái tắt của các TFET với chiều dài kênh
(Lg) khác nhau. ...................................................................................................... 23
Hình 3.8. Đặc tính dòng-thế của các TFET sử dụng vật liệu ô-xít cực cổng có (a)
ε

= 9 và (b) ε

= 21 với chiều dài kênh (Lg) khác nhau. .................................. 24

Hình 3.9. Giản đồ năng lượng của TFET tại (a) trạng thái mở và (b) trạng thái tắt
với điện môi cổng khác nhau. ................................................................................ 25
Hình 3.10. Đặc tính dòng-thế của các TFET với nồng độ máng (a) ND=1019 cm-3 và
(b) ND=5×1018 cm-3 có chiều dài kênh (Lg) khác nhau. ........................................... 26
Hình 3.11. Giản đồ năng lượng của các TFET tại trạng thái tắt với nồng độ máng
khác nhau. ............................................................................................................. 27
Hình 3.12. Cấu trúc đặc trưng của các TFET với cấu trúc (a) SOI và (b) TFET
lưỡng cổng. ........................................................................................................... 28
Hình 3.13. Đặc tính dòng-thế của các TFET với cấu trúc (a) SOI và (b) lưỡng cổng
có chiều dài kênh (Lg) khác nhau. .......................................................................... 29
Hình 3.14. Giản đồ năng lượng tại trạng thái tắt của các TFET với cấu trúc khác
nhau. ..................................................................................................................... 30


viii

Hình 3.15. Đặc tính dòng-thế của các TFET sử dụng vật liệu (a) Si0.7Ge0.3 và (b)
Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh (Lg) khác nhau. ......................................................... 31
Hình 3.16. Giản đồ năng lượng tại trạng thái tắt của các TFET sử dụng vật liệu khác
nhau. ..................................................................................................................... 32
Hình 3.17. Đặc tính dòng-thế của các TFET ở hiệu điện thế máng-nguồn (a) 0.7V
và (b) 0.4V với chiều dài kênh (Lg) khác nhau. ...................................................... 33
Hình 3.18. Giản đồ năng lượng tại trạng thái tắt của các TFET sử dụng hiệu điện thế
máng-nguồn khác nhau. ......................................................................................... 34
Hình 4.1. Cấu trúc đặc trưng Si/SiGe TFET………………………………………. 36
Hình 4.2. Đặc tính dòng-thế của các TFET sử dụng cấu trúc Si/Si1-xGex với giá trị x
khác nhau…………………………………………………………………………...37
Hình 4.3. Giản đồ năng lượng của các TFET tại trạng thái mở sử dụng cấu trúc
Si/Si1-xGex với giá trị x khác nhau…………………………………………………38

Hình 4.4. Cấu trúc đặc trưng của các TFET (a) loại n và (b) loại p sử dụng dị chất
gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7……………………………………………………… 39
Hình 4.5. Đặc tính dòng-thế của các TFET (a) loại n và (b) loại p sử dụng dị chất
gián đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh (Lg) khác nhau…………………40
Hình 4.6. Giản đồ năng lượng của các TFET loại n và loại p sử dụng dị chất gián
đoạn Si0.6Ge0.4/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh Lg=10nm tại trạng thái tắt…………... 41
Hình 4.7. Cấu trúc đặc trưng của các TFET (a) loại n và (b) loại p sử dụng dị chất
liên tục Si/Si0.3Ge0.7………………………………………………………………... 42
Hình 4.8. Đặc tính dòng-thế của các TFET (a) loại n và (b) loại p sử dụng dị chất
liên tục Si/Si0.3Ge0.7 với các chiều dài kênh (Lg) khác nhau………………………..43
Hình 4.9. Giản đồ năng lượng của các TFET loại n và loại p sử dụng dị chất liên
tục Si/Si0.3Ge0.7 với chiều dài kênh Lg=10 nm tại trạng thái tắt…………………… 44


1

TÓM TẮT
Tranzito hiệu ứng trường kim loại-ôxít-bán dẫn (metal-oxide-semiconductor
field-effect transistor (MOSFET)) hoạt động dựa trên cơ chế khuếch tán nhiệt
(thermal diffusion) truyền thống, có độ dốc dưới ngưỡng (subthreshold swing (SS))
từ 60 mV/decade trở lên tại nhiệt độ phòng. Điều này làm hạn chế khả năng thu nhỏ
kích thước vật lý và giới hạn việc giảm điện áp nguồn cấp (power supply voltage)
của linh kiện MOSFET. Không giống như MOSFET, tranzito trường xuyên hầm
(tunnel field-effect transistor (TFET)) hoạt động với cơ chế xuyên hầm qua vùng
cấm (band-to-band-tunneling (BTBT)) của chất bán dẫn; có độ dốc dưới ngưỡng
nhỏ hơn 60 mV/decade đã được chứng minh bởi lý thuyết và thực nghiệm. Do đó,
TFET thích hợp để sử dụng trong các mạch có công suất tiêu thụ thấp và kích thước
nhỏ trong tương lai.
Để giải thích, hiểu rõ sự phụ thuộc của hiệu ứng kênh ngắn vào từng tham số
và cấu trúc linh kiện TFET, luận văn nghiên cứu bản chất vật lý và phương pháp

khắc phục hiệu ứng kênh ngắn (short-channel effect) trong các tranzito trường
xuyên hầm sử dụng các tham số vật liệu như điện môi cổng, nồng độ tạp chất cực
máng, độ rộng vùng cấm chất bán dẫn, hiệu điện thế máng-nguồn và cấu trúc linh
kiện đơn cổng, lưỡng cổng. Đặc biệt, còn tiến hành khảo sát cấu trúc Si/SiGe và
hiệu ứng kênh ngắn trong các TFET cấu trúc dị chất Si/SiGe loại p và n. Nhằm giải
quyết vấn đề dòng dẫn trong TFET, so sánh khả năng thu nhỏ giữa tranzito trường
xuyên hầm loại n và loại p; giải thích nguyên nhân của sự khác biệt đó. Các nghiên
cứu này sẽ được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng hai chiều trong phần mềm
MEDICI sử dụng mẫu xuyên hầm Kane là mẫu được dùng phổ biến nhất hiện nay
để tính tốc độ xuyên hầm. Từ đó cho phép xác định nguyên nhân, cơ chế gây ra hiệu
ứng kênh ngắn trong linh kiện TFET nhằm đề xuất ra cấu trúc và tham số thích hợp
để giảm thiểu hiệu ứng kênh ngắn như: sử dụng điện môi cổng cao, nồng độ pha tạp
cực máng thấp, hiệu điện thế máng-nguồn thấp, cấu trúc lưỡng cổng. Hơn nữa, sử
dụng cấu trúc dị chất Si/SiGe làm tăng dòng điện mở (on-current) đồng thời hạn chế
dòng rò lưỡng cực (ambipolar leakage current) trong linh kiện đã giúp giải quyết


2

được một thách thức cơ bản của TFET. Mặc dù, sử dụng dị chất Si/SiGe làm cải
thiện dòng điện mở trong cả TFET loại n và loại p nhưng khả năng thu nhỏ TFET
loại n và loại p khác nhau đáng kể, do sự bất đối xứng trong cấu trúc dị chất Si/SiGe
kết hợp với quá trình xuyên hầm không đối xứng trong TFET loại n và loại p. Với
khả năng thu nhỏ chiều dài kênh dưới 10 nm, TFET dị chất liên tục loại p là một
cấu trúc khả thi để ứng dụng cho mạch có công suất tiêu thụ thấp và kích thước nhỏ
trong tương lai.


3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
Khoảng những năm cuối thế kỉ XX, tranzito hiệu ứng trường kim loại-ôxítbán dẫn (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)) đóng vai trò
quan trọng trong công nghệ điện tử, do chúng có thể lắp ráp một cách tối ưu trên
một bề mặt và thuận tiện để chế tạo các mạch tích hợp. Vào những năm thập niên
90, linh kiện này được thu nhỏ đến nm, tốc độ làm việc cao, con chíp silicon được
chế tạo đại trà một cách thuận tiện và giá thành thấp nên chúng nhanh chóng chiếm
vai trò chủ đạo trong công nghệ điện tử cho đến ngày nay. Tuy nhiên, với nền công
nghệ ngày càng phát triển, việc đòi hỏi một thiết bị có công suất tiêu thụ thấp và
mật độ số tranzito trên một con chíp ngày càng cao là yếu tố then chốt trong thiết kế
và chế tạo vi mạnh điện tử hiện đại trong tương lai. Việc thu nhỏ MOSFET xuống
dưới 50 nm đã làm tăng công suất hao phí của các thiết bị do dòng rò (leakage
current) xuyên hầm tăng [1]. Vậy để đáp ứng cho các mạch có công suất tiêu thụ
thấp thì phải hướng đến việc giải quyết dòng rò một các hợp lý khi thu nhỏ
MOSFET [2]. Nhưng tất cả các MOSFET đều hoạt động dựa trên nguyên lý của vật
lý cổ điển, với cơ chế khuếch tán nhiệt truyền thống. Do đó, khó giảm điện thế
nguồn cấp và công suất tiêu thụ do giới hạn 60 mV/decade của độ dốc dưới ngưỡng
[3] tại nhiệt độ phòng. Trong khi đó tranzito trường xuyên hầm (tunnel field-effect
transistor (TFET)) hiện được xem là loại linh kiện tiềm năng cho các vi mạch tích
hợp công suất thấp [4], [5]. Vì linh kiện sử dụng cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm:
các electron hóa trị từ vùng hóa trị thực hiện quá trình xuyên hầm qua vùng cấm
chất bán dẫn để trở thành một electron tự do trong vùng dẫn [6].
1.1 Khả năng thu nhỏ của MOSFET truyền thống
Để đáp ứng các mạch điện tử có công suất tiêu thụ thấp, cần tiếp tục giảm kích
thước của tranzito cùng điện áp nguồn cấp. Các nhà nghiên cứu đã thu được một số
lợi ích nhất định trong việc thu nhỏ MOSFET khi khảo sát sự ảnh hưởng của các
tham số linh kiện như điện áp, nồng độ pha tạp, kích thước vật lý đến đặc tính hoạt
động của MOSFET [7]. Tuy nhiên, ngay cả trong các thuận lợi của việc thu nhỏ
MOSFET truyền thống cũng đã gặp không ít những khó khăn để duy trì đặc tính

4

hoạt động tắt-mở (on-off switching) tốt của các linh kiện. Mặc dù trong hơn 30 năm
qua ngành công nghiệp điện tử được liên tục hưởng lợi từ các MOSFET, nhưng xu
hướng hiện nay chỉ ra rằng MOSFET đang nhanh chóng tiến về cuối thời kì sử dụng
bởi một số hạn chế cơ bản như: ảnh hưởng của xuyên hầm lượng tử, sự ngẫu nhiên
của pha tạp gián đoạn và công suất hao phí tăng là một trong các yếu tố chính thúc
đẩy ngành công nghiệp điện tử thay đổi các MOSFET truyền thống.
Các hiện tượng chính của xuyên hầm lượng tử ảnh hưởng đến khả năng thu nhỏ
của MOSFET như: xuyên hầm qua vùng cấm, xuyên hầm trực tiếp qua lớp ô-xít và
xuyên hầm từ nguồn đến máng. Xuyên hầm qua vùng cấm chủ yếu xảy ra từ kênh
đến máng, với nồng độ kênh cao có điện trường nằm ngang lớn làm hạ thấp rào thế
tại lớp chuyển tiếp kênh-nguồn. Khi điện trường cao (khoảng 106 V/cm) dòng rò
chủ yếu là dòng xuyên hầm của các electron từ vùng hóa trị trong khu vực kênh đến
vùng dẫn trong khu vực máng [8], [9]. Trong trường hợp các MOSFET kênh dài,
dòng rò xuyên hầm nhỏ hơn hai dòng rò trong trạng thái tắt và dòng rò trực tiếp qua
cổng. Như vậy, với chiều dài kênh nhỏ dòng rò cao làm suy giảm đặc tính hoạt
động của linh kiện.
Theo báo cáo gần đây của ITRS (International Technology Roadmap for
Semiconductors) năm 2013 cho biết để đạt được dòng mong muốn tại MOSFET có
kích thước 50 nm với điện thế nguồn cấp nhỏ, ta phải tích cực giảm điện môi cổng
với độ dày ô-xít tương đương (EOT) trong khoảng 0.5-1 nm. Với lớp ô-xít siêu
mỏng, hạt dẫn trong kênh có thể xuyên hầm trực tiếp qua cổng, quá trình xuyên
hầm qua rào điện môi làm tăng dòng rò theo hàm số mũ khi độ dày lớp ô-xít (tox)
giảm [10]. Khi mối nối giữa nguồn và máng gần nhau có thể dẫn đến xuyên hầm từ
nguồn đến máng làm tăng dòng rò trong các Tranzito. Dòng xuyên hầm này xảy ra
đối với MOSFET có kích thước 10 nm [11].
Với việc sử dụng các cấu trúc và kỹ thuật tiên tiến, MOSFET truyền thống ở
thế hệ thứ hai với cấu trúc ba cổng [12] có khả năng thu nhỏ xuống 10 nm trong sản
xuất hàng loạt. Nhưng điện thế nguồn cấp cho mạch MOSFET không giảm xuống

được tương ứng với kích thước của tranzito để giải quyết triệt để về mật độ công


5

Dòng Máng (Id)

TFET

SS<60mV/decade

MOSFET

SS≥60mV/decade

Điện Thế Cổng (Vg)

Hình 1.1. Phác họa đặc tính dòng-thế của MOSFET và TFET.

suất [13] do MOSFET sử dụng cơ chế khuếch tán nhiệt có độ dốc dưới ngưỡng lớn
hơn hoặc bằng 60 mV/decade tại nhiệt độ phòng. Hình 1.1 biểu diễn đặc tính dòngthế của TFET và MOSFET cho thấy tranzito trường xuyên hầm có độ dốc dưới
ngưỡng nhỏ hơn độ dốc dưới ngưỡng của MOSFET. Giới hạn Boltzmann của độ
dốc dưới ngưỡng trong MOSFET ở 60 mV/decade tại nhiệt độ phòng đã hạn chế
việc giảm điện thế nguồn cấp. Vì nếu giảm điện thế nguồn cấp thấp hơn điện thế
ngưỡng thì dòng điện mở nhỏ làm cho tốc độ hoạt động của mạch chậm. Do vậy
không thể giảm điện thế nguồn cấp quá thấp trong MOSFET truyền thống được.
Ngược lại, TFET với độ dốc dưới ngưỡng nhỏ hơn 60 mV/decade có tốc độ chuyển
từ trạng thái tắt sang mở nhanh và có thể giảm điện thế nguồn cấp xuống thấp mà
dòng điện mở vẫn lớn. Điều này làm công suất tiêu thụ của linh kiện MOSFET lớn
vì công suất tiêu thụ có mối liên hệ mật thiết với điện thế nguồn cấp, cụ thể là tỉ lệ

thuận với bình phương điện thế nguồn cấp. Do vậy, để giảm công suất tiêu thụ và
thu nhỏ linh kiện mà không giảm điện thế nguồn cấp là một vấn đề khó khăn.
1.2 Thuận lợi của TFET
Vào năm 1992, TFET đã được nghiên cứu bởi Tetsuya Baba [14] được đánh
giá là một loại linh kiện đầy hứa hẹn để thay thế cho các MOSFET truyền thống, do


6

sử dụng cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm có độ dốc dưới ngưỡng nhỏ hơn 60
mV/decade, điều này không chỉ được đưa ra bởi tính toán lý thuyết và mô phỏng mà
còn được chứng minh bởi thực nghiệm. Trong đó phải kể đến các TFET sử dụng vật
liệu silicon có độ dốc dưới ngưỡng 52,8 mV/decade [15], 46 mV/decade [16] và các
TFET sử dụng vật liệu silicon-germani [17], [18]. Với độ dốc dưới ngưỡng nhỏ hơn
60 mV/decade, TFET thích hợp với các mạch có điện áp nguồn cấp và công suất
tiêu thụ thấp [19], dòng rò thấp, tỉ số dòng mở trên dòng tắt (off-current) cao [20],
[21] và một số thuận lợi khác.
1.3 Mục tiêu của luận văn
Mặc dù cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm trong chất bán dẫn của linh kiện
TFET đã được phát hiện trong khoảng thời gian khá dài, nhưng TFET chưa được
đưa vào áp dụng trong công nghệ điện tử khi MOSFET vẫn còn khả năng thu nhỏ
kích thước vật lý và điện áp nguồn cấp. TFET chỉ thực sự được quan tâm trong
khoảng 10 năm gần đây khi các MOSFET đang tiến đến giới hạn thu nhỏ chiều dài
kênh và điện thế hoạt động. Với thời gian phát triển tương đối ngắn TFET gặp
không ít những khó khăn, dù TFET có điện áp nguồn cấp nhỏ nhưng dòng điện mở
của TFET rất nhỏ so với dòng điện mở của MOSFET [22], [23]. Do vậy, trước khi
đưa TFET vào ứng dụng trong thực tiễn ta cần giải quyết triệt để những thách thức
mà linh kiện gặp phải.
Vấn đề trước tiên đó là: làm sao để giảm điện thế nguồn cấp nhưng dòng điện
mở của linh kiện vẫn lớn. Như ta đã biết, với cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm, xác

suất xuyên hầm phụ thuộc mạnh vào độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn. Do đó các
nhà nghiên cứu đã liên tục phát triển và đưa ra các cấu trúc linh kiện khác nhau để
giải quyết những thách thức của TFET như: làm tăng dòng điện mở bằng cách sử
dụng vật liệu SiGe có độ rộng vùng cấm nhỏ, sử dụng cấu trúc dị chất Si/SiGe để
làm tăng dòng điện mở đồng thời giảm dòng rò lưỡng cực [17], [24]…Ngoài vấn đề
giảm công suất tiêu thụ việc thu nhỏ linh kiện cũng rất quan trọng, vì thế các nhà
khoa học đã nghiên cứu lựa chọn ra các tham số thích hợp để giảm chiều dài kênh
mà không làm ảnh hưởng đến đặc tính tắt-mở của linh kiện như: hằng số điện môi


7

cổng cao [25], [26]; nồng độ pha tạp nguồn-máng [27], [28]; cấu trúc linh kiện SOI
(silicon on insulator) và cấu trúc lưỡng cổng (double-gate) [29]…
TFET được đánh giá là loại linh kiện có công suất tiêu thụ thấp. Tuy nhiên, để
giảm kích thước vật lý của TFET ứng với chiều dài kênh xuống dưới 30 nm cũng
gặp không ít những khó khăn vì hiệu ứng kênh ngắn làm ảnh hưởng xấu đến đặc
tính tắt-mở của linh kiện. Như vậy, nhằm xác định được các nguyên nhân cũng như
cơ chế gây ra hiệu ứng kênh ngắn trong TFET, luận văn này sẽ tiến hành khảo sát
sự phụ thuộc của hiệu ứng kênh ngắn trong mỗi loại TFET vào tham số linh kiện và
vật liệu như bề dày ô-xít, nồng độ tạp chất cực máng, độ rộng vùng cấm chất bán
dẫn, cấu trúc linh kiện đơn cổng và lưỡng cổng. Các khảo sát này sẽ giúp hiểu rõ cơ
chế vật lý và cách thiết kế tham số, cấu trúc thích hợp để giảm thiểu hiệu ứng kênh
ngắn trong linh kiện TFET. Ngoài ra, tăng cường dòng dẫn cho TFET cũng là một
yếu tố quan trọng hàng đầu trước khi đưa linh kiện vào ứng dụng trong thực tế.
Việc sử dụng vật liệu có độ rộng vùng cấm nhỏ làm tăng dòng điện mở cho linh
kiện nhưng dòng rò lớn gây ảnh hưởng xấu đến đặc tính hoạt động của TFET. Do
vậy, cấu trúc dị chất Si/SiGe TFET sẽ được nghiên cứu để hướng tới việc tăng dòng
dẫn đồng thời giảm dòng rò cho linh kiện. Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng: linh
kiện TFET loại p sử dụng cấu trúc dị chất liên tục Si/SiGe với chiều dài kênh dưới

10 nm đã thu được đặc tính tắt-mở tốt [30]. Như vậy, một vấn đề mới được đặt ra
là: khả năng thu nhỏ của TFET loại n sử dụng cấu trúc dị chất Si/SiGe sẽ như thế
nào? Luận văn này sẽ giải quyết vấn đề nêu trên bằng cách so sánh khả năng thu
nhỏ của TFET hoạt động ở hai chế độ loại n và loại p trong cấu trúc chuyển tiếp dị
chất gián đoạn và liên tục (abrupt and graded heterojunction) Si/SiGe của linh kiện
TFET. Từ đó, tìm ra sự khác biệt về hiệu ứng kênh ngắn giữa các TFET và giải
thích nguyên nhân vật lý gây ra sự khác biệt đó.
Luận văn gồm 4 chương, bao gồm phần giới thiệu (chương 1) và kết luận.
Chương 2 giới thiệu phương pháp mô phỏng gồm phần mềm mô phỏng, cơ
chế xuyên hầm của điện tử trong bán dẫn trực tiếp và bán dẫn gián tiếp, tóm tắt mẫu
vật lý Kane để ước tính xác suất xuyên hầm của các electron qua vùng cấm trong


8

chất bán dẫn và trình bày quá trình mô phỏng linh kiện.
Chương 3 trình bày cơ chế của hiệu ứng kênh ngắn trong TFET và nghiên cứu
một cách có hệ thống sự phụ thuộc của hiệu ứng kênh ngắn vào các tham số linh
kiện như: điện môi cổng, nồng độ pha tạp cực máng, độ rộng vùng cấm trong chất
bán dẫn, cấu trúc đơn cổng và cấu trúc lưỡng cổng của linh kiện, điện thế cực
máng…Qua việc khảo sát này, ta đã thu được các tham số thích hợp để giảm thiểu
hiệu ứng kênh ngắn trong linh kiện TFET.
Trong chương 4, hiệu ứng kênh ngắn trong các TFET với cấu trúc dị chất
Si/SiGe loại n và p sẽ được khảo sát để làm sáng tỏ về cơ chế hoạt động, đặc tính và
thiết kế linh kiện TFET sử dụng cấu trúc dị chất.


9

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

Các nhà khoa học đã tiến hành làm sáng tỏ tính chất vật lý và thiết lập mô hình
xuyên hầm ứng với điện trường đồng nhất và điện trường không đồng nhất [31],
[32] của cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm hay còn gọi là xuyên hầm Zener. Luận
văn thực hiện mô phỏng hai chiều đặc tính điện của TFET để so sánh sự khác nhau
về cơ chế hoạt động và tính chất vật lý trong hiệu ứng kênh ngắn. Chương trình mô
phỏng được viết trong phần mềm MEDICI, là một phần mềm có thể mô phỏng
được trạng thái của các linh kiện như MOS, tranzito lưỡng cực và linh kiện bán dẫn
khác bằng cách giải một số phương trình trong không gian thích hợp. Thông thường
để giải các phương trình Poisson, phương trình Boltzmann bằng phương pháp giải
tích là một điều bất khả thi vì khi đó phải giải một hệ phương trình tuyến tính cực
lớn với rất nhiều phương trình và nhiều ẩn. Do vậy để đơn giản và hiệu quả, các
phương pháp mô phỏng sẽ được thực hiện trong không gian 2 chiều. Nhằm rút ra
các tính chất vật lý và cơ chế hiệu ứng kênh trong linh kiện TFET một cách chính
xác và dễ dàng, mẫu lượng tử hai kênh của Kane sẽ được sử dụng bởi mẫu này dùng
được trong cả chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp và vùng cấm gián tiếp lại cho ra
kết quả tương đối chính xác. Trong chương này ngoài việc giới thiệu phần mềm mô
phỏng MEDICI, trình bày cơ chế và so sánh quá trình chuyển dịch của điện tử trong
chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp và gián tiếp, mẫu xuyên hầm, còn tóm tắt
phương pháp mô phỏng linh kiện trong phần mềm mô phỏng MEDICI hai chiều.
2.1 Phần mềm mô phỏng
MEDICI là một trong số phần mềm mô phỏng linh kiện bán dẫn tốt và phổ
biến hiện nay cho phép mô phỏng trạng thái điện của các linh kiện như MOS,
tranzito lưỡng cực…Chương trình mô phỏng trong MEDICI tiến hành giải tự hợp
các phương trình Poisson, phương trình liên tục, phương trình Boltzmann để phân
tích linh kiện và một số hiệu ứng xảy ra. Ngoài ra, một số mẫu vật lý được đưa vào
chương trình mô phỏng để thu được kết quả chính xác như mẫu tái tổ hợp, mẫu
xuyên hầm qua vùng cấm…
Nhằm đưa ra các đặc tính điện của linh kiện TFET gồm: thế năng, mật độ hạt

10

dẫn, dòng điện…các mô phỏng hai chiều dùng trong phần mềm MEDICI [33] sẽ
được sử dụng với các mẫu và tham số vật lý thích hợp cho từng loại vật liệu. Trong
đó, sự phân bố thế năng ở linh kiện có thể được xác định bằng việc giải phương
trình Poisson sau:

 2   q  p  n  N D  N A    S ,

(2.1)

để giải phương trình Poisson thì các đại lượng như: hằng số điện môi tĩnh trong chất
bán dẫn (  ), toán tử Plapce (  ), mật độ lỗ trống và điện tử (p và n), nồng độ tạp
chất bị ion hóa ( N A , N D ) và mật độ điện tích bề mặt ( S ) cần được xác định. Với
việc giải phương trình liên tục dưới đây cho phép thu được mật độ hạt dẫn (điện tử
và lỗ trống) ở công thức (2.1) trong linh kiện tranzito:

n 1 
 J n   U n  G n   Fn  ,n,p  ,
t q

(2.2)

p 1 
 J p   U p  G p   Fp  ,n,p  ,
t q

(2.3)

trong phần mềm MEDICI:  được định nghĩa là thế Fec-mi nội; nghĩa là   int ,

Un và Up theo thứ tự là tốc độ tái tổ hợp của mật độ điện tử và lỗ trống; Gn và Gp là


tốc độ phát sinh của mật độ điện tử và lỗ trống, J n và J p là mật độ dòng trôi của
điện tử và lỗ trống.
Mặt khác, theo nguyên lý vận chuyển Boltzmann, mật độ dòng điện tử và mật
độ dòng lỗ trống trong công thức (2.2) và (2.3) được xác định bằng các phương
trình:


J n   q  nn   n ,


J p   q  pp  p ,

(2.4)
(2.5)

với n , p là thế giả Fermi của điện tử và lỗ trống. Ngoài ra, mật độ dòng của điện
tử và lỗ trống còn được cho bởi:



J n  q nn E n  nD n n ,

(2.6)





J p  q  p pE p  qD p p ,

(2.7)


11

trong đó n và  p là độ linh động của điện tử và lỗ trống; Dn và Dp là hiệu suất
khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Như vậy, trong MEDICI các phương trình
Poisson, phương trình liên tục, phương trình vận chuyển Boltzmann có mối liên hệ
chặt chẽ với nhau và được giải tự hợp để thu được các đại lượng cần thiết khi mô
phỏng đặc tính điện trong linh kiện.
2.2 Mẫu vật lý trong mô phỏng
Mặc dù Si1-xGex là vật liệu bán dẫn có cả vùng cấm gián tiếp và vùng cấm trực
tiếp nhưng dòng điện dẫn trong TFET sử dụng vật liệu Si1-xGex chủ yếu là dòng
xuyên hầm gián tiếp. Khi nồng độ Ge nhỏ (giá trị x nhỏ) độ rộng vùng cấm gián tiếp
khác rõ rệt so với độ rộng vùng cấm trực tiếp [34]. Khi nồng độ Ge lớn hơn 80%
(x>0.8) thì dòng xuyên hầm của TFET chủ yếu là dòng xuyên hầm trực tiếp [35].
Trong luận văn này, vật liệu bán dẫn được sử dụng là silicon và Si1-xGex với
giá trị x thay đổi trong khoảng x≤0.7, dòng dẫn chủ yếu là do sự đóng góp của số
điện tử trong xuyên hầm gián tiếp. Cơ chế xuyên hầm gián tiếp sẽ đóng góp chính
tới dòng điện dẫn trong các Si/SiGe TFET. Do đó, trước khi phân tích mẫu xuyên
hầm gián tiếp của Kane được sử dụng [6] trong phần mềm mô phỏng MEDICI, ta đi
giải thích và so sánh cơ chế chuyển dịch của điện tử trong vật liệu bán dẫn có vùng
cấm trực tiếp và vùng cấm gián tiếp.
2.2.1 Cơ chế chuyển dịch của điện tử trong chất bán dẫn
Sự chuyển dịch của điện tử có hướng thẳng đứng trong không gian k được gọi
là chuyển dịch quang học. Trong bán dẫn có vùng cấm trực tiếp (hình 2.1a) hay bán
dẫn có vùng cấm thẳng là bán dẫn mà vùng cấm của nó có đỉnh cực đại của vùng
hóa trị và đáy cực tiểu của vùng dẫn nằm trên cùng một giá trị của số sóng k. Như

vậy các chuyển dịch quang học trong vùng cấm trực tiếp tuân theo đúng định luật
bảo toàn năng lượng (Ec-Ev=h  ) và định lật bảo toàn xung lượng với véc-tơ sóng
trước và sau tương tác của điện tử bằng nhau (kf=ki). Nếu điện tử từ mức năng
lượng cao nhất của vùng hóa trị Ev được cấp một năng lượng đúng bằng năng lượng
vùng cấm Eg thì chỉ năng lượng thay đổi còn xung lượng vẫn được bảo toàn. Hiện
tượng bức xạ và hấp thụ phonon dễ dàng được thực hiện trong chất bán dẫn có vùng


12

E
Vùng dẫn

EC
Vùng cấm

Eg

K
EV

Vùng hóa trị

(a)

E
Vùng dẫn

EC

Eg
Vùng cấm

K
EV

(b)

Vùng hóa trị

Hình 2.1. Chất bán dẫn có (a) vùng cấm trực tiếp và (b) vùng cấm gián tiếp.

cấm trực tiếp.
Bán dẫn gián tiếp là bán dẫn có vùng cấm xiên (hình 2.1b), tức là đáy của
vùng dẫn và đỉnh của vùng hóa trị không nằm trên cùng một giá trị của số sóng k.
Chuyển dịch quang học trong chất bán dẫn này chỉ được thực hiện khi có thêm một
cơ chế chuyển dịch bổ trợ thích hợp. Trong cơ chế này sự góp phần của một hạt
tương tác như phonon là rất cần thiết để tuân theo các định luật bảo toàn. Trong
vùng cấm gián tiếp, việc hấp thụ phonon có thể được thực hiện nhờ vào cơ chế


13

trung gian, với một phonon có năng lượng lớn hơn vùng cấm có thể được hấp thụ
bằng một chuyển dịch quang học có hướng thẳng đứng giữa đỉnh của vùng hóa trị
và đáy thứ hai của vùng dẫn (véc-tơ sóng k được bảo toàn), năng lượng thừa trong
quá trình hấp thụ này sẽ được tiêu tán dưới dạng nhiệt trong vật liệu. Như vậy, nếu
chất bán dẫn trực tiếp và gián tiếp có độ rộng vùng cấm bằng nhau thì xác suất
xuyên hầm của bán dẫn gián tiếp nhỏ hơn so với bán dẫn trực tiếp. Vì quá trình
xuyên hầm của điện tử trong bán dẫn có vùng cấm gián tiếp ngoài việc tuân theo

quy tắc xác suất truyền qua còn phải tuân theo định luật bảo toàn xung lượng.
2.2.2 Mẫu xuyên hầm Kane
Trong xuyên hầm gián tiếp, xác suất xuyên hầm của điện tử được tính toán bởi
Kane và Keldysh như sau [6], [44]:
3/ 2

Pind

2
 2 5 / 2 m 1/r 2 E 3/g 2 
1/ 2  1/ 2  m c m v  1  2 N TA  D TA
 E i  E f

exp

exp



215 / 4 q 1/ 2 m 9r / 4  TA E 3/g 4 1/ 2
3q 
E ind







,

(2.8)

trong đó: mc và mv theo thứ tự là mật độ trạng thái trong vùng dẫn và vùng hóa trị;

 là khối lượng riêng; thế biến dạng phonon của nhánh âm học ngang DTA (the
deformation potential of transverse acoustic phonon) [36]; năng lượng phonon của
nhánh âm học ngang TA (the transverse acoustic phonon energy); số lấp đầy
phonon của nhánh âm học ngang N TA  1 /  exp   TA / kT   1 (the occupation
number of the transverse acoustic phonon [37];  là điện trường tại mối nối xuyên
hầm; hằng số Plank rút gọn  

h
; Eg là độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn; mr là
2

khối lượng rút gọn electron và năng lượng thẳng đứng trong chất bán dẫn gián tiếp
được định nghĩa bởi:
 ind
E 

q
2 3/ 2 m 1/r 2 E 1/g 2 .

(2.9)

Mật độ electron xuyên hầm gián tiếp trên một đơn vị thể tích hay tốc độ xuyên
hầm (GBTBT) trong vật liệu bán dẫn Si1-xGex có thể được tính toán bằng việc sử dụng
mẫu xuyên hầm Kane như sau [6], [33]:

14

G BTBT  A Kane


E 3/g 2 
 5/ 2
exp

B


Kane
E 1/g 2
 ,


(2.10)

các tham số AKane và BKane được cho bởi:
3/ 2

A Kane 

2
gq 5/ 2  m c m v  1  2N TA  D TA
,
2 21/ 4 h 5/ 2 m 5/r 4  TA E 5/g 4

B Kane 

27/2  m r
3qh
,

(2.11)
(2.12)

các tham số AKane và BKane có giá trị khác nhau khi nồng độ mol x của Ge thay đổi
từ 0 đến 1. Trong luận văn này, các tham số đầu vào của mẫu xuyên hầm Kane cho
Si1-xGex đã được tính toán và kiểm tra với thực nghiệm [38]. Ngoài ra, để mô phỏng
gần với thực tế hơn, phân bố Fermi-Dirac và mẫu tái hợp Shockley-Read-Hall cũng
được bao gồm trong các mô phỏng.
2.3 Phương pháp mô phỏng
Thực hiện mô phỏng hai chiều đặc tính điện của TFET để so sánh sự khác biệt
về cơ chế hoạt động và tính chất vật lý của hiệu ứng kênh ngắn trong tranzito
trường xuyên hầm. Tiến hành viết chương trình cho mỗi cấu trúc linh kiện sau khi
phác họa cấu trúc linh kiện cần mô phỏng. Đầu tiên, tạo khung cho cấu trúc bằng
cách sử dụng các câu lệnh X.MESH và Y.MESH để định rõ chiều rộng và chiều sâu
của linh kiện tương ứng số ô (N.SPACES) chia theo từng miền, nhằm thu được mật
độ ô phù hợp với cấu trúc linh kiện cần khảo sát, điều này cho phép chỉ định từng
khu vực sẽ có nồng độ pha tạp lớn hay nhỏ. Thứ hai, xác định vùng vật liệu gồm các
khu vực kim loại, ô-xít, chất bán dẫn trong linh kiện với lệnh REGION và khu vực
cần pha tạp với pha tạp cực nguồn, máng, cổng bằng lệnh ELECTR NAME=”tên
của điện cực”. Thứ ba, sử dụng lệnh PROFILE để khai báo độ lớn nồng độ pha tạp
và pha tạp loại n hay loại p cho từng khu vực. Thứ tư, thực hiện khai báo mẫu vật
lý, với các mẫu: CONMOB, FLDMOD, SRFMOD2, BGN, FERMIDIR, BTBT,
BT.MODEL=n (n=1, 2, 3) để đảm bảo tính chính xác khi mô phỏng đặc tính điện
của tranzito trường xuyên hầm. Ngoài ra, khi khảo sát linh kiện có thể sử dụng

15

phương pháp NEWTON sẽ thu được kết quả chỉnh xác hơn hoặc phương pháp
GUMMEL để dễ hội tụ hơn. Cuối cùng, tùy vào mục đích khảo sát linh kiện có thể
khai báo khoảng điện thế cổng, điện thế máng thích hợp và sử dụng lệnh vẽ PLOT,
lệnh xuất OUT.FILE=”…” cùng lệnh lưu file trong thư mục thích hợp [33].
Sau khi viết xong chương trình mô phỏng, ta cho chạy chương trình để thu
được kết quả bao gồm các đặc tính dòng-thế, giản đồ năng lượng, đường sức tốc độ
xuyên hầm… Cuối cùng sử dụng phần mềm Origin để biểu diễn kết quả thu được,
từ đó phân tích, đánh giá hiệu ứng kênh ngắn cũng như giải thích nguyên nhân vật
lý liên quan.


16

CHƯƠNG 3: CƠ CHẾ CỦA HIỆU ỨNG KÊNH NGẮN
TRONG TFET
Cũng như MOSFET, hiệu ứng kênh ngắn trong các TFET là do điện thế cực
máng cảm ứng tới thế của vùng kênh dẫn. Nhưng hiệu ứng kênh ngắn của các
MOSFET là do sự hạ thấp rào thế nhiệt, còn trong các TFET là bởi sự hẹp lại của
rào xuyên hầm. Độ cao và độ rộng của rào xuyên hầm trong trạng thái tắt chịu ảnh
hưởng bởi các tham số linh kiện và vật liệu như: bề dày lớp ô-xít, hằng số điện môi
cổng, nồng độ tạp chất cực máng, độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, cấu trúc linh
kiện đơn cổng và lưỡng cổng, điện thế cực máng…Do vậy, trong chương này ngoài
việc làm sáng tỏ và so sánh cơ chế của hiệu ứng kênh ngắn trong MOSFET và
TFET còn tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng kênh ngắn nhằm
đưa ra các tham số cùng cấu trúc tối ưu cho đặc tính tắt-mở của các linh kiện TFET.
3.1 Cơ chế của hiệu ứng kênh ngắn

Hình 3.1 phác họa cấu trúc cơ bản của các linh kiện MOSFET và TFET đơn
cổng sử dụng vật liệu silicon. Để có những so sánh thích hợp giữa hiệu ứng kênh
ngắn của hai linh kiện trên, nồng độ nguồn và máng ở cả hai linh kiện đều là 1020
cm-3, riêng với MOSFET cả cực nguồn và cực máng được pha tạp loại n, trong khi
đó với cấu trúc TFET thì máng được pha tạp loại n và pha tạp loại p cho cực nguồn.
Pha tạp loại p với nồng độ 1017 cm-3 cho vùng kênh tại MOSFET và TFET. Lớp ôxít cực cổng dùng ô-xít SiO2 với độ dày 3 nm, độ sâu của cực nguồn và cực máng
đều là 40 nm. Để đơn giản, các chuyển tiếp p-n giữa khu vực máng-kênh, nguồnkênh đều là gián đoạn với độ biến thiên nồng độ tạp chất bằng 0, hay nói cách khác
tại đó nồng độ được pha tạp đồng nhất.
3.1.1 Cơ chế tắt-mở
Sau khi sử dụng phần mềm mô phỏng MEDICI và sử dụng Origin để xử lý số
liệu, hình 3.2 trình bày đặc tính dòng-thế của MOSFET và TFET có chiều dài kênh
là 200 nm với hiệu điện thế máng-nguồn VDS=1 V. Nhìn chung các vùng tắt, dưới
ngưỡng và vùng mở đều quan sát được ở cả MOSFET và TFET. Tuy nhiên, dòng
điện mở của MOSFET lớn hơn rất nhiều so với dòng điện dẫn của TFET, cụ thể lớn