基于硅纳米线的场效应晶体管电学性质仿真

巢湖学院机械与电子工程学院 南京大学电子科学与工程学院固体微结构物理国家重点实验室 许明坤巢湖学院机械与电子工程学院 毛雷鸣 叶 松 陈 宇

1.引言

半导体硅材料是微电子、光电子领域的基础材料，而半导体硅纳米线具有优良的光电性质和成熟的制备技术。多年以来，人们对硅纳米线的制备及相关器件应用进行了大量而卓有成效的研究，取得了丰富的研究成果。研究结果发现，半导体硅纳米线在电子器件[1-2]、光电器件[3-4]、生物及化学传感器[5]、能量储存及转换等器件[6]方面都有非常广泛的应用前景。而基于半导体硅纳米线的光电器件、电子器件、传感器件应用是以硅纳米线的电学性质为基础的，因此硅纳米线的电学特性是其中关键因素。而硅纳米线的电学特性取决于纳米线制备过程中产生的内部和表面缺陷，因此需要精确控制纳米线的生长条件以期望获得高结晶质量的硅纳米线结构。本文利用 Comsol Multiphysics对硅纳米线的电学性质及基于硅纳米线的场效应晶体管的电学特性进行了仿真模拟。并对其进行了详细分析。

2.参数设置

我们以直径为100nm的P型单晶硅纳米线作为研究对象，设计了以单根硅纳米线作为导电通道的纳米线场效应晶体管结构（FET）。硅纳米线的掺杂浓度为1016cm-3。漏极和源极之间的距离为1um，即场效应晶体管的导电通道长度是1um；栅极介质层为100nm厚的SiO2。我们模拟了不同条件下空穴和电子浓度的分布图以及硅纳米线场效应晶体管的输出特性曲线及转移特性曲线。通过对仿真结果的分析讨论，我们可以进一步的了解半导体硅纳米线的电学特性以及基于半导体硅纳米线的场效应晶体管的基本特性。

3.结果分析与讨论

3.1 载流子浓度分布

图1为栅极电压Vg=-2V时，硅纳米线中空穴浓度的分布示意图。由图1可以看出，当栅极电压为Vg=-2V时，纳米线内部空穴浓度要远小于表面空穴浓度。即，空穴主要集中分布在靠近栅极一侧的硅纳米线外表面附近，这是由于在-2V的栅极电压作用下带正电的空穴由硅纳米线的内部向外表面定向移动后聚集在纳米线表面的结果。这表明栅极电压对场效应晶体管的导电通道中载流子具有调控作用，通过对导电通道中载流子的调控实现对输出漏极电流Id的控制。

图1 半导体硅纳米线中空穴浓度分布

图2 半导体纳米线电子浓度分布图

图3 硅纳米线场效应晶体管输出特性曲线

图2为硅纳米线中电子浓度分布示意图，由图2给出的电子浓度分布示意图可知，在栅极电压Vg=-2V，源漏电压Vsd=1V的条件下，硅纳米线内部的电子浓度远大于纳米线表面的电子浓度，即纳米线中的电子主要集中分布在纳米线内部而远离栅极。这主要是由于在反向栅极电压的作用下，电子可以由纳米线表面向内部定向移动并集聚在硅纳米线内部。

3.2 场效应晶体管输出特性

图3给出了不同栅极电压时硅纳米线场效应晶体管的输出特性曲线，可以看出，随着Vsd的增加，输出电流Id不断增加。而当Vsd不变时，随着反向栅极电压Vg的增加，输出电流Id也会随之增加。这是因为P型硅纳米线作为场效应晶体管的导电通道时，导电载流子为带正电的空穴，我们还计算了在Vg=0V时的硅纳米线的电导率，其计算公式如下所示：

其中，ρ是硅纳米线的电阻率，是纳米线的截面积，是纳米线长度。

根据半导体物理理论可知，半导体的电导率主要与其载流子浓度及迁移率相关，其公式如下：

其中，n为室温下多数载流子浓度。在室温时，掺杂的B原子空穴能够被完全电离，即半导体硅中的多数载流子为电离得到的空穴浓度，与半导体的掺杂浓度相等，即n=1016cm-3为半导体纳米线中的载流子浓度，即空穴浓度。因此，可以计算得出室温下半导体硅纳米线的载流子迁移率为：

3.3 纳米线场效应晶体管转移特性

场效应晶体管的转移特性是其基本特性。因此，我们研究了不同漏极电压下的转移特性。其转移特性曲线如图4所示。

图4 半导体硅纳米线场效应晶体管转移特性曲线

由图4可知，当栅极加反向电压时，随着电压Vg增加漏极电流Id逐渐增大。当Vg增加到一定数值时，漏极电流Id达到饱和状态后就基本不再随栅极电压Vg得变化而变化。因此我们可以判断硅纳米线导电通道中是带正电的空穴导电。这与我们的模型设计相一致。

当栅极电压Vg为正值时，随着电压增加，漏极电流Id逐渐减小。在漏极电压为Vsd=1V时，栅极电压在1.6V附近时，漏源电流Id降至为10-12A，导电通道基本上处于关闭状态。在漏源电压为2V时，栅极电压在2.6v附近，漏源电流Id降至为10-12A，导电通道关闭。在漏源电压为3V时，栅极电压在3.6v附近，漏源电流Id降至为10-12A，导电通道关闭。因此，当漏极电压Vsd越大时，需要更大的Vg才能关断纳米线导电通道。在不同漏源电压Vsd下均可以得到的电流开关比为：

同时，平面硅纳米线场效应管的载流子迁移率可以根据公式(3)获得[7]：

其中，r为平面硅纳米线的半径，h为氧化层厚度。L为导电通道长度，为真空介电常数，为介质层SiO2介电常数。

根据这种模型得到了得空穴迁移率的最大值为393cm2/Vs，这与根据公式（2）所得到的载流子迁移率基本一致。这表明我们设计的半导体硅纳米线场效应晶体管模型是合理的，这为我们研究硅纳米线场效应晶体管的应用提供了坚实的理论基础。

4.结论

本文利用Comsol Multiphysics软件构建了基于半导体硅纳米线的场效应晶体管并对其电学特性进行了仿真。由仿真结果可知，理想的硅纳米线场效应晶体管的具有很好的转移特性，转移特性曲线证明了硅纳米线场效应晶体管的导电通道中是带正电的空穴参与导电，其电流的开关比高达107。由转移特曲线得到的载流子最大迁移率为393cm2/Vs，与计算结果基本一致。