Tổng quan nghiên cứu

Tranzito hiệu ứng trường kim loại-ôxít-bán dẫn (MOSFET) đã trở thành linh kiện chủ đạo trong công nghệ điện tử từ cuối thế kỷ XX nhờ khả năng thu nhỏ kích thước và tốc độ làm việc cao. Tuy nhiên, khi kích thước MOSFET giảm xuống dưới 50 nm, các vấn đề về dòng rò xuyên hầm và công suất tiêu thụ tăng lên đáng kể, gây hạn chế trong việc giảm điện áp nguồn cấp và thu nhỏ linh kiện. Độ dốc dưới ngưỡng (subthreshold swing - SS) của MOSFET truyền thống không thể nhỏ hơn 60 mV/decade ở nhiệt độ phòng, giới hạn khả năng giảm điện áp hoạt động.

Tranzito trường xuyên hầm (TFET) được xem là giải pháp tiềm năng cho các mạch công suất thấp nhờ cơ chế hoạt động dựa trên xuyên hầm qua vùng cấm (band-to-band tunneling - BTBT), cho phép SS nhỏ hơn 60 mV/decade. Tuy nhiên, TFET còn gặp nhiều thách thức như dòng điện mở (on-current) thấp và hiệu ứng kênh ngắn (short-channel effect - SCE) khi thu nhỏ chiều dài kênh dưới 30 nm.

Luận văn tập trung nghiên cứu hiệu ứng kênh ngắn trong các TFET cấu trúc dị chất Si/SiGe loại p và n, sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều trong phần mềm MEDICI với mẫu xuyên hầm Kane. Mục tiêu chính là làm rõ cơ chế vật lý của hiệu ứng kênh ngắn, khảo sát sự phụ thuộc của hiệu ứng này vào các tham số linh kiện như điện môi cổng, nồng độ tạp chất cực máng, hiệu điện thế máng-nguồn, cấu trúc linh kiện đơn cổng và lưỡng cổng, đồng thời đề xuất cấu trúc và tham số tối ưu để giảm thiểu hiệu ứng kênh ngắn và tăng dòng điện mở. Nghiên cứu có phạm vi thời gian và địa điểm thực hiện tại Trường Đại học Đà Lạt, năm 2017.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển linh kiện TFET cho các ứng dụng vi mạch công suất thấp, kích thước nhỏ, góp phần thúc đẩy công nghệ bán dẫn thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm (BTBT): Là quá trình electron từ vùng hóa trị xuyên qua vùng cấm sang vùng dẫn, được mô tả bằng mẫu xuyên hầm Kane. Xác suất xuyên hầm phụ thuộc vào độ rộng và độ cao của rào cản năng lượng, cũng như đặc tính vật liệu bán dẫn.

  • Hiệu ứng kênh ngắn (SCE): Là hiện tượng suy giảm đặc tính tắt-mở của tranzito khi chiều dài kênh giảm, do điện thế cực máng ảnh hưởng mạnh đến thế năng vùng kênh, làm thay đổi rào cản năng lượng.

  • Mô hình cấu trúc linh kiện TFET: Bao gồm cấu trúc đơn cổng, lưỡng cổng, SOI, và cấu trúc dị chất Si/SiGe với các tham số vật liệu và tạp chất khác nhau.

Các khái niệm chính bao gồm: độ dốc dưới ngưỡng (SS), dòng điện mở (Ion), dòng điện tắt (Ioff), nồng độ tạp chất cực máng, hằng số điện môi cổng, chiều dài kênh (Lg), và hiệu điện thế máng-nguồn (VDS).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng hai chiều trong phần mềm MEDICI, một công cụ phổ biến trong mô phỏng linh kiện bán dẫn. Phương pháp bao gồm:

  • Nguồn dữ liệu: Các tham số vật liệu Si và Si1-xGex với nồng độ Ge thay đổi trong khoảng 0 ≤ x ≤ 0.7, các tham số tạp chất, điện môi cổng, và cấu trúc linh kiện được thiết lập dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết.

  • Phương pháp phân tích: Giải tự hợp các phương trình Poisson, Boltzmann và phương trình liên tục để xác định thế năng, mật độ hạt dẫn, và dòng điện trong linh kiện. Mẫu xuyên hầm Kane được áp dụng để tính xác suất xuyên hầm gián tiếp trong chất bán dẫn.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô phỏng được thực hiện trên các cấu trúc TFET với chiều dài kênh từ 5 nm đến 200 nm, các tham số tạp chất và điện môi được thay đổi để khảo sát ảnh hưởng đến hiệu ứng kênh ngắn.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình mô phỏng và phân tích dữ liệu được thực hiện trong năm 2017 tại Trường Đại học Đà Lạt.

Kết quả mô phỏng được xử lý và biểu diễn bằng phần mềm Origin để phân tích đặc tính dòng-thế, giản đồ năng lượng và các thông số liên quan.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng thu nhỏ của TFET vượt trội MOSFET: TFET duy trì đặc tính tắt-mở tốt khi chiều dài kênh giảm xuống khoảng 30 nm, trong khi MOSFET bị suy giảm nghiêm trọng khi chiều dài kênh dưới 100 nm. Dòng điện tắt và độ dốc dưới ngưỡng của TFET chỉ tăng mạnh khi chiều dài kênh dưới 30 nm.

  2. Ảnh hưởng của điện môi cổng: Sử dụng điện môi cổng có hằng số điện môi cao (ε từ 3.9 lên 21) làm tăng dòng điện mở do giảm độ rộng rào xuyên hầm ở trạng thái mở, nhưng không ảnh hưởng đáng kể đến dòng điện tắt và hiệu ứng kênh ngắn ở trạng thái tắt.

  3. Nồng độ tạp chất cực máng: Giảm nồng độ tạp chất cực máng từ 10^19 cm^-3 xuống 5×10^18 cm^-3 giúp giảm hiệu ứng kênh ngắn, làm giảm dòng điện tắt và độ dốc dưới ngưỡng, đồng thời vẫn duy trì dòng điện mở ổn định.

  4. Cấu trúc linh kiện: TFET lưỡng cổng có hiệu ứng kênh ngắn tốt hơn SOI TFET, cho phép thu nhỏ chiều dài kênh xuống dưới 10 nm với đặc tính tắt-mở được cải thiện rõ rệt.

  5. Vật liệu bán dẫn: Sử dụng cấu trúc dị chất Si/SiGe làm tăng dòng điện mở đáng kể nhờ độ rộng vùng cấm nhỏ của SiGe, đồng thời hạn chế dòng rò lưỡng cực. TFET loại p với cấu trúc dị chất liên tục Si/SiGe có khả năng thu nhỏ chiều dài kênh dưới 10 nm mà vẫn giữ đặc tính tắt-mở tốt hơn loại n do sự bất đối xứng trong cấu trúc dị chất và cơ chế xuyên hầm không đối xứng.

Thảo luận kết quả

Hiệu ứng kênh ngắn trong TFET khác biệt căn bản so với MOSFET. Trong MOSFET, hiệu ứng này do hạ thấp rào thế nhiệt, còn trong TFET là do thu hẹp rào xuyên hầm. Điều này giải thích tại sao TFET có khả năng thu nhỏ tốt hơn MOSFET.

Việc sử dụng điện môi cổng cao giúp tăng dòng điện mở nhờ cải thiện điều khiển điện trường tại kênh, nhưng không làm tăng dòng rò, phù hợp với mục tiêu giảm hiệu ứng kênh ngắn. Nồng độ tạp chất cực máng thấp làm tăng độ rộng rào xuyên hầm, giảm dòng rò và hiệu ứng kênh ngắn, tuy nhiên cần cân bằng để không làm giảm dòng điện mở.

Cấu trúc lưỡng cổng cải thiện khả năng kiểm soát điện trường, giảm hiệu ứng kênh ngắn hiệu quả hơn SOI TFET. Sự khác biệt về hiệu ứng kênh ngắn giữa TFET loại n và loại p trong cấu trúc dị chất Si/SiGe được giải thích bởi sự bất đối xứng về độ cao rào xuyên hầm, dẫn đến TFET loại p có dòng điện tắt và độ dốc dưới ngưỡng thấp hơn, phù hợp hơn cho các ứng dụng thu nhỏ.

Các kết quả này tương đồng với các nghiên cứu gần đây trong ngành bán dẫn, đồng thời cung cấp cơ sở vật lý và kỹ thuật thiết kế linh kiện TFET hiệu quả cho công nghệ vi mạch công suất thấp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Sử dụng điện môi cổng có hằng số điện môi cao: Áp dụng vật liệu ô-xít có ε lớn (ví dụ HfO2) để tăng dòng điện mở và cải thiện điều khiển điện trường, giảm hiệu ứng kênh ngắn. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: các nhà sản xuất linh kiện bán dẫn.

  2. Điều chỉnh nồng độ tạp chất cực máng: Giảm nồng độ pha tạp cực máng xuống khoảng 5×10^18 cm^-3 để giảm dòng rò và hiệu ứng kênh ngắn mà không ảnh hưởng đến dòng điện mở. Thời gian thực hiện: 1 năm; chủ thể: phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển.

  3. Thiết kế cấu trúc TFET lưỡng cổng: Ưu tiên phát triển linh kiện TFET lưỡng cổng để nâng cao khả năng kiểm soát điện trường, cho phép thu nhỏ chiều dài kênh dưới 10 nm với hiệu suất cao. Thời gian thực hiện: 2-3 năm; chủ thể: các viện nghiên cứu và công ty công nghệ.

  4. Ứng dụng cấu trúc dị chất Si/SiGe: Tận dụng cấu trúc dị chất Si/SiGe loại p với chuyển tiếp dị chất liên tục để tăng dòng điện mở và giảm dòng rò, đồng thời cải thiện khả năng thu nhỏ linh kiện. Thời gian thực hiện: 2-3 năm; chủ thể: các trung tâm nghiên cứu vật liệu bán dẫn.

  5. Điều chỉnh hiệu điện thế máng-nguồn: Giảm hiệu điện thế máng-nguồn để hạn chế dòng rò xuyên hầm khi thu nhỏ chiều dài kênh, cân bằng giữa dòng điện mở và hiệu ứng kênh ngắn. Thời gian thực hiện: song song với các giải pháp trên; chủ thể: kỹ sư thiết kế mạch.

Các giải pháp trên cần được phối hợp đồng bộ để tối ưu hóa hiệu suất linh kiện TFET, hướng tới ứng dụng trong các mạch tích hợp công suất thấp và kích thước nhỏ trong tương lai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư bán dẫn: Có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế và phát triển linh kiện TFET với hiệu suất cao, đặc biệt trong việc giảm hiệu ứng kênh ngắn và tăng dòng điện mở.

  2. Các trung tâm nghiên cứu vật liệu bán dẫn: Tham khảo để phát triển vật liệu Si/SiGe và các vật liệu điện môi cổng mới, phục vụ cho công nghệ TFET thế hệ mới.

  3. Công ty sản xuất vi mạch tích hợp: Áp dụng các giải pháp thiết kế cấu trúc TFET lưỡng cổng và điều chỉnh tham số tạp chất để nâng cao hiệu suất sản phẩm, giảm công suất tiêu thụ.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý kỹ thuật, Khoa học vật liệu: Sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo chuyên sâu về cơ chế vật lý, mô hình mô phỏng và thiết kế linh kiện bán dẫn tiên tiến.

Các đối tượng này có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu trong phát triển công nghệ bán dẫn, cải tiến thiết bị điện tử công suất thấp và thu nhỏ linh kiện.

Câu hỏi thường gặp

  1. TFET khác MOSFET ở điểm nào về cơ chế hoạt động?
    TFET hoạt động dựa trên cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm (BTBT), trong khi MOSFET dựa trên khuếch tán nhiệt. Điều này giúp TFET có độ dốc dưới ngưỡng nhỏ hơn 60 mV/decade, phù hợp cho mạch công suất thấp.

  2. Hiệu ứng kênh ngắn ảnh hưởng thế nào đến TFET?
    Hiệu ứng kênh ngắn làm tăng dòng điện tắt và độ dốc dưới ngưỡng khi chiều dài kênh giảm, làm suy giảm đặc tính tắt-mở của TFET, đặc biệt khi chiều dài kênh dưới 30 nm.

  3. Tại sao cấu trúc lưỡng cổng giúp giảm hiệu ứng kênh ngắn?
    Cấu trúc lưỡng cổng tăng khả năng kiểm soát điện trường tại kênh, làm giảm ảnh hưởng của điện thế cực máng lên rào xuyên hầm, từ đó giảm hiệu ứng kênh ngắn và cải thiện đặc tính tắt-mở.

  4. Lợi ích của cấu trúc dị chất Si/SiGe trong TFET là gì?
    Cấu trúc dị chất Si/SiGe giúp tăng dòng điện mở nhờ độ rộng vùng cấm nhỏ của SiGe, đồng thời giảm dòng rò lưỡng cực, cải thiện hiệu suất linh kiện và khả năng thu nhỏ.

  5. Làm thế nào để cân bằng giữa dòng điện mở và dòng rò trong TFET?
    Điều chỉnh các tham số như điện môi cổng cao, nồng độ tạp chất cực máng thấp, hiệu điện thế máng-nguồn hợp lý và sử dụng cấu trúc dị chất giúp tăng dòng điện mở đồng thời giảm dòng rò, cân bằng hiệu suất linh kiện.

Kết luận

  • TFET có khả năng thu nhỏ chiều dài kênh tốt hơn MOSFET, duy trì đặc tính tắt-mở khi chiều dài kênh giảm xuống khoảng 30 nm.
  • Sử dụng điện môi cổng có hằng số điện môi cao và nồng độ tạp chất cực máng thấp giúp giảm hiệu ứng kênh ngắn và tăng dòng điện mở.
  • Cấu trúc TFET lưỡng cổng và cấu trúc dị chất Si/SiGe loại p là các giải pháp hiệu quả để giảm hiệu ứng kênh ngắn và tăng hiệu suất linh kiện.
  • Hiệu ứng kênh ngắn trong TFET loại n và loại p khác nhau do sự bất đối xứng trong cấu trúc dị chất và cơ chế xuyên hầm không đối xứng.
  • Các bước tiếp theo bao gồm phát triển kỹ thuật chế tạo linh kiện TFET cấu trúc lưỡng cổng và dị chất Si/SiGe, đồng thời tối ưu hóa tham số thiết kế để ứng dụng trong công nghệ vi mạch công suất thấp.

Để thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng TFET, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng các kết quả và đề xuất trong luận văn nhằm phát triển linh kiện bán dẫn thế hệ mới, đáp ứng yêu cầu công nghệ hiện đại.