MỞ ĐẦU Một trong những linh kiện điện tử hiện được xem là tiềm năng cho các mạch tích hợp công suất thấp là transistor hiệu ứng trường xuyên hầm (TFET) vì độ dốc dưới ngưỡng (SS) của nó ở nhiệt độ phòng có thể nhỏ hơn nhiều so với giá trị 60 mV/decade. Với độ dốc dưới ngưỡng có thể nhỏ, người ta hy vọng rằng hiệu điện thế ngưỡng của TFET có thể được giảm đáng kể để đảm bảo dòng mở và hiệu điện thế tăng tốc đủ lớn trong khi vẫn duy trì dòng rò nhỏ. Tuy vậy, cơ chế xuyên hầm cũng đồng thời là lý do khiến dòng mở của TFET thấp vì xác suất xuyên hầm là tương đối nhỏ. Hơn nữa, trong các cấu trúc TFET xuyên hầm điểm đặc trưng, xuyên hầm ở trạng thái mở chủ yếu xảy ra ở một góc nhỏ của cực nguồn và điều này cũng giới hạn dòng xuyên hầm của TFET.
Để cải thiện dòng mở, ngoài kỹ thuật liên quan đến vật liệu, người ta đã đề xuất nhiều kỹ thuật khác nhau liên quan tới cấu trúc. Trong số đó, cấu trúc điện môi cực cổng dị cấu trúc giúp tăng đáng kể dòng điện mở trong khi đồng thời làm giảm mạnh dòng rò lưỡng cực của TFET. Vả lại, vì kỹ thuật này được thực hiện ở lớp cách điện cực cổng, nó hoàn toàn kết hợp được với các kỹ thuật tiên tiến khác liên quan đến vùng thân hay vùng điện cực cổng để nâng cao hơn nữa đặc tính điện của linh kiện. Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá vai trò và thiết kế lớp điện môi cực cổng dị cấu trúc trong các cấu trúc TFET khác nhau là rất cần thiết.
Vì mức độ điều biến thế năng ở vùng kênh phụ thuộc vào bề dày ô-xít tương đương của lớp cách điện cực cổng, việc áp dụng một mối nối dị cấu trúc ở lớp cách điện cực cổng gây ra một sự thay đổi đột ngột của độ biến điệu thế năng vùng kênh ngay dưới vị trí mối nối dị cấu trúc. Sự khác biệt đột ngột đó tạo ra một giếng thế định xứ tại vị trí của mối nối. Giếng thế này nếu định xứ ở một vị trí và trong một điều kiện thích hợp sẽ phát huy vai trò của nó trong việc làm giảm độ dốc dưới ngưỡng và tăng dòng mở của linh kiện. Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu thiết kế lớp điện môi cực cổng dị cấu trúc, từ đó đánh giá vai trò của nó trong việc nâng cao đặc tính điện của TFET có các cấu trúc khác nhau.
Các hằng số điện môi cao và thấp của chất cách điện được giả sử là có thể tùy chỉnh và được lựa chọn ở một giá trị tỷ số thích 4 hợp sao cho phát huy cao nhất khả năng tăng dòng mở của kỹ thuật điện môi dị cấu trúc. Tham số thiết kế cơ bản là vị trí của mối nối dị cấu trúc được khảo sát ở tất cả các loại TFET khác nhau để nghiên cứu cơ chế, tính chất và vai trò của nó trong việc nâng cao đặc tính điện của linh kiện. Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các transistor hiệu ứng trường xuyên hầm với các cấu trúc khác nhau, bao gồm: cấu trúc xuyên hầm điểm, xuyên hầm đường, cấu trúc khối và cấu trúc thân mỏng lưỡng cổng. Bề dày vật lý của lớp cách điện cực cổng được giữ đồng nhất ở giá trị vừa đủ lớn (~ 3 nm) để đạt được mức cho phép của dòng rò xuyên hầm trực tiếp qua cực cổng.
Vật liệu sử dụng là InGaAs mà trong đó nồng độ In và Ga có thể thay đổi phù hợp trong từng mục đích nghiên cứu. Các nghiên cứu được dựa trên mô phỏng đặc tính điện cho cấu trúc hai chiều của linh kiện TFET. Mô phỏng hai chiều được thực hiện dựa trên phần mềm mô phỏng MEDICI đã được phát triển và thương mại hóa bởi công ty Synopsys của Hoa Kỳ. Đề tài giúp hiểu rõ vai trò và ảnh hưởng của điện môi cực cổng dị cấu trúc tới đặc tính điện cũng như đưa ra các tham số thiết kế phù hợp nhằm nâng cao đặc tính tắt-mở của các loại TFET có cấu trúc khác nhau.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU Trong khoảng những năm cuối của thế kỉ XX, hàng loạt các sản phẩm công nghệ cao đã ra đời. Các thiết bị điện tử hiện đại có ý nghĩa lớn trong cuộc cánh mạng công nghệ và đã góp phần nâng cao đời sống con người. Năm 1960, sự ra đời của transistor hiệu ứng trường kim loại-ôxít bán dẫn (MOSFET) là một trong những bước phát triển đột phá trong công nghệ điện tử. Vào những năm thập niên 90, MOSFET đã được thu nhỏ đến kích thước nm với tốc độ làm việc cao nên nó nhanh chóng chiếm vai trò chủ đạo trong ngành công nghệ điện tử.
Tuy nhiên, trong thời đại công nghệ ngày nay, với yêu cầu cao về sự thu nhỏ về kích thước linh kiện thì MOSFET đã phải đối mặt với một số vấn đề khó khăn không thể khắc phục được dù đã áp dụng nhiều kỹ thuật tiên tiến. Trong khi đó, TFET được đánh giá là linh kiện tiềm năng thay thế cho MOSFET. Trong TFET, cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm là cơ chế thiết yếu để tạo ra quá trình vận chuyển hạt tải điện đã được khai thác thành công. Vậy nên trong chương này, luận văn sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động cũng như ưu điểm và nhược điểm của hai loại linh kiện này.
MOSFET VÀ GIỚI HẠN VẬT LÝ Trong đời sống hiện đại ngày nay không thể nào thiếu được các thiết bị điện và điện tử. Các thiết bị này có thể nói là phổ biến khắp mọi nơi có con người và nó vẫn đang tích cực hỗ trợ cho cuộc sống của chúng ta. Sự phát triển của khoa học công nghệ thật sự đã đem lại những diện mạo mới cho cuộc sống. Giờ đây, chúng ta không những có thể biết được tình hình xảy ra trên thế giới chỉ trong vài phút mà còn có thể “gặp mặt” người thân, bạn bè dù ở cách xa cả nửa vòng Trái Đất.
Trong đó, vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các thiết bị điện tử là chất bán dẫn (semiconductor). Công nghiệp vi mạch bán dẫn và mạch tích hợp (IC) đã trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn của rất nhiều quốc gia trên thế giới. Năm 1940, tại phòng thí nghiệm Bell Labs, Ronssell B. Ohl đã sản xuất thành công các tinh thể Silicon, một chất bán dẫn nổi tiếng có thể hoạt động như một bộ chỉnh lưu.
Đây chính là khởi đầu cho sự phát triển của ngành bán 6 dẫn sau này. Đến năm 1947, cũng tại phòng thí nghiệm Bell Labs đã có một bước phát triển đột phá khác khi John Bardeen và Walter Houser Brattain đã phát minh transistor tiếp xúc điểm Germanium đầu tiên. Đây là cột mốc quan trọng trong nỗ lực tìm ra thiết bị mới thay thế cho ống chân không và báo trước sự xuất hiện của thời đại transistor. Tuy nhiên, tại thời điểm phát minh, transistor bị dòng rò lớn và không thể làm việc ở nhiệt độ cao.
Sau đó, William Bradford Shockley đã phát triển transistor chuyển tiếp (junction transistor) và transistor tiếp xúc lưỡng cực. Sử dụng kỹ thuật này, Morgan Sparks - nhà hóa học của Bell Labs đã thả các viên tạp chất nhỏ vào Germanium nóng chảy trong quá trình phát triển tinh thể để tạo các mối nối pn. Năm 1950, Morgan Sparks và Teal bắt đầu thêm hai viên tạp chất liên tiếp vào khối Germanium, lớp thứ nhất có tạp chất loại p và lớp thứ hai có tạp chất chất loại n tạo thành cấu trúc npn. Các transistor chuyển tiếp như vậy có hiệu suất vượt xa các transistor tiếp xúc điểm nên mô hình transistor chuyển tiếp bắt đầu được ứng dụng cho các mạch điện tử để khuếch đại dòng, khuếch đại thế và khuếch đại tín hiệu công suất.
Bell Labs đã công bố tiến bộ này vào ngày 4 tháng 7 năm 1951 trong một cuộc họp báo. Vài năm sau đó, transistor hiệu ứng trường đầu tiên đã được Bell Labs sản xuất. Với những đóng góp cho sự nghiên cứu và phát triển của transistor, năm 1956 giải Nobel Vật lý đã được trao đồng thời cho ba nhà khoa học W. Sự ra đời của transistor đã đánh dấu cho một kỹ nguyên công nghệ rực rỡ bậc nhất trong lịch sử loài người và ngành công nghệ bán dẫn sau đó đã phát triển một cách nhanh chóng.
Tiêu biểu cho sự phát triển này là sự ra đời của mạch tích hợp với các linh kiện đơn giản được tích hợp lên trên bề mặt tấm Silicon gọi là “chip”. Trong ngành công nghệ ngày nay, hầu hết các thiết bị điện tử trên thế giới là chip IC. Một con chip tuy rất nhỏ nhưng là một hệ thống các vi mạch cực kỳ phức tạp. Việc thiết kế và chế tạo các con chip là sự tổng hợp của nhiều ngành khoa học và công nghệ khác nhau.
Năm 1960, không những công nghệ Epitaxial được phát triển thành công mà transistor hiệu ứng trường kim loại-ôxít bán dẫn (MOSFET) đầu tiên cũng được sản xuất tại phòng thí nghiệm Bell Labs. Năm 1963, công nghệ MOS (complementary metal-oxide-semiconductor) ra đời cũng được coi là nền tảng 7 Kim loại (Metal) Lớp ô-xít tox Đế bán dẫn Hình 1. Phác họa cấu trúc tụ MOS cơ bản. cho sự phát triển rực rỡ của bán dẫn.
Hiện nay, MOS đang là công nghệ được sử dụng để sản xuất IC và MOSFET chính là linh kiện quan trọng nhất trong công nghệ MOS. Kích thước của MOSFET khá nhỏ, một vi mạch có thể chứa đến hàng triệu MOSFET, nên nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mạch số [1]. Vào những năm thập niên 90, kích thước của MOSFET được thu nhỏ đến nanomet, tốc độ làm việc cao, con chíp Silicon được chế tạo đại trà và giá thành thấp. Vì vậy mà trong một thời gian dài, MOSFET đóng vai trò quan trọng trong công nghệ điện tử.
MOSFET có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện [1], vì có cấu trúc bán dẫn nên nó cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển cực nhỏ. Trong đó, cấu trúc MOS (metal-oxide- semiconductor) được ví như là “trái tim” của MOSFET. Cấu trúc MOS cơ bản tương tự như một tụ điện phẳng được phác họa như hình 1. Cấu trúc MOS có được bằng cách lắng đọng một lớp Silicon dioxide hoặc vật liệu điện môi khác trên đế (substrate) Silicon hoặc vật liệu bán dẫn khác.
Sau đó đặt một lớp kim loại trên lớp điện môi cổng để tạo thành điện cực cổng [2]. Kim loại có thể là nhôm hoặc một số kim loại khác, nhưng bây giờ hầu hết nó là đa tinh thể có độ dẫn cao được lắng đọng trên lớp ô-xít [1].
