基于硅納米線的場效應晶體管電學性質仿真

巢湖學院機械與電子工程學院 南京大學電子科學與工程學院固體微結構物理國家重點實驗室 許明坤巢湖學院機械與電子工程學院 毛雷鳴 葉 松 陳 宇

1.引言

半導體硅材料是微電子、光電子領域的基礎材料，而半導體硅納米線具有優良的光電性質和成熟的制備技術。多年以來，人們對硅納米線的制備及相關器件應用進行了大量而卓有成效的研究，取得了豐富的研究成果。研究結果發現，半導體硅納米線在電子器件[1-2]、光電器件[3-4]、生物及化學傳感器[5]、能量儲存及轉換等器件[6]方面都有非常廣泛的應用前景。而基于半導體硅納米線的光電器件、電子器件、傳感器件應用是以硅納米線的電學性質為基礎的，因此硅納米線的電學特性是其中關鍵因素。而硅納米線的電學特性取決于納米線制備過程中產生的內部和表面缺陷，因此需要精確控制納米線的生長條件以期望獲得高結晶質量的硅納米線結構。本文利用 Comsol Multiphysics對硅納米線的電學性質及基于硅納米線的場效應晶體管的電學特性進行了仿真模擬。并對其進行了詳細分析。

2.參數設置

我們以直徑為100nm的P型單晶硅納米線作為研究對象，設計了以單根硅納米線作為導電通道的納米線場效應晶體管結構（FET）。硅納米線的摻雜濃度為1016cm-3。漏極和源極之間的距離為1um，即場效應晶體管的導電通道長度是1um；柵極介質層為100nm厚的SiO2。我們模擬了不同條件下空穴和電子濃度的分布圖以及硅納米線場效應晶體管的輸出特性曲線及轉移特性曲線。通過對仿真結果的分析討論，我們可以進一步的了解半導體硅納米線的電學特性以及基于半導體硅納米線的場效應晶體管的基本特性。

3.結果分析與討論

3.1 載流子濃度分布

圖1為柵極電壓Vg=-2V時，硅納米線中空穴濃度的分布示意圖。由圖1可以看出，當柵極電壓為Vg=-2V時，納米線內部空穴濃度要遠小于表面空穴濃度。即，空穴主要集中分布在靠近柵極一側的硅納米線外表面附近，這是由于在-2V的柵極電壓作用下帶正電的空穴由硅納米線的內部向外表面定向移動后聚集在納米線表面的結果。這表明柵極電壓對場效應晶體管的導電通道中載流子具有調控作用，通過對導電通道中載流子的調控實現對輸出漏極電流Id的控制。

圖1 半導體硅納米線中空穴濃度分布

圖2 半導體納米線電子濃度分布圖

圖3 硅納米線場效應晶體管輸出特性曲線

圖2為硅納米線中電子濃度分布示意圖，由圖2給出的電子濃度分布示意圖可知，在柵極電壓Vg=-2V，源漏電壓Vsd=1V的條件下，硅納米線內部的電子濃度遠大于納米線表面的電子濃度，即納米線中的電子主要集中分布在納米線內部而遠離柵極。這主要是由于在反向柵極電壓的作用下，電子可以由納米線表面向內部定向移動并集聚在硅納米線內部。

3.2 場效應晶體管輸出特性

圖3給出了不同柵極電壓時硅納米線場效應晶體管的輸出特性曲線，可以看出，隨著Vsd的增加，輸出電流Id不斷增加。而當Vsd不變時，隨著反向柵極電壓Vg的增加，輸出電流Id也會隨之增加。這是因為P型硅納米線作為場效應晶體管的導電通道時，導電載流子為帶正電的空穴，我們還計算了在Vg=0V時的硅納米線的電導率，其計算公式如下所示：

其中，ρ是硅納米線的電阻率，是納米線的截面積，是納米線長度。

根據半導體物理理論可知，半導體的電導率主要與其載流子濃度及遷移率相關，其公式如下：

其中，n為室溫下多數載流子濃度。在室溫時，摻雜的B原子空穴能夠被完全電離，即半導體硅中的多數載流子為電離得到的空穴濃度，與半導體的摻雜濃度相等，即n=1016cm-3為半導體納米線中的載流子濃度，即空穴濃度。因此，可以計算得出室溫下半導體硅納米線的載流子遷移率為：

3.3 納米線場效應晶體管轉移特性

場效應晶體管的轉移特性是其基本特性。因此，我們研究了不同漏極電壓下的轉移特性。其轉移特性曲線如圖4所示。

圖4 半導體硅納米線場效應晶體管轉移特性曲線

由圖4可知，當柵極加反向電壓時，隨著電壓Vg增加漏極電流Id逐漸增大。當Vg增加到一定數值時，漏極電流Id達到飽和狀態后就基本不再隨柵極電壓Vg得變化而變化。因此我們可以判斷硅納米線導電通道中是帶正電的空穴導電。這與我們的模型設計相一致。

當柵極電壓Vg為正值時，隨著電壓增加，漏極電流Id逐漸減小。在漏極電壓為Vsd=1V時，柵極電壓在1.6V附近時，漏源電流Id降至為10-12A，導電通道基本上處于關閉狀態。在漏源電壓為2V時，柵極電壓在2.6v附近，漏源電流Id降至為10-12A，導電通道關閉。在漏源電壓為3V時，柵極電壓在3.6v附近，漏源電流Id降至為10-12A，導電通道關閉。因此，當漏極電壓Vsd越大時，需要更大的Vg才能關斷納米線導電通道。在不同漏源電壓Vsd下均可以得到的電流開關比為：

同時，平面硅納米線場效應管的載流子遷移率可以根據公式(3)獲得[7]：

其中，r為平面硅納米線的半徑，h為氧化層厚度。L為導電通道長度，為真空介電常數，為介質層SiO2介電常數。

根據這種模型得到了得空穴遷移率的最大值為393cm2/Vs，這與根據公式（2）所得到的載流子遷移率基本一致。這表明我們設計的半導體硅納米線場效應晶體管模型是合理的，這為我們研究硅納米線場效應晶體管的應用提供了堅實的理論基礎。

4.結論

本文利用Comsol Multiphysics軟件構建了基于半導體硅納米線的場效應晶體管并對其電學特性進行了仿真。由仿真結果可知，理想的硅納米線場效應晶體管的具有很好的轉移特性，轉移特性曲線證明了硅納米線場效應晶體管的導電通道中是帶正電的空穴參與導電，其電流的開關比高達107。由轉移特曲線得到的載流子最大遷移率為393cm2/Vs，與計算結果基本一致。