一种晶体管及构建其模型的方法技术

本发明专利技术提供了一种晶体管，该晶体管包括Si衬底、沟道层、源极和漏极、覆盖于沟道层上面的绝缘层、以及位于绝缘层上的栅极；其中沟道层为具有半导体导电特性的单原子层SnO,源漏极为具有金属导电特性的双原子层SnO。本发明专利技术还提供了一种通过计算和模拟构建晶体管的模型的方法。本发明专利技术提供的该晶体管由于沟道层和源漏极采用单一二维材料SnO，改善了沟道层与源漏极侧壁的欧姆接触，大大降低了两者的接触电阻，提高了晶体管的散热性；通过模拟测试，证明晶体管具有高的电子迁移率。

Transistor and method for constructing the same

The invention provides a transistor, the transistor includes a Si substrate, a channel layer, a source electrode and a drain electrode, covers the channel layer above the insulating layer, and an insulating layer on the gate; the channel layer is a single atomic layer of SnO with conductive characteristics of semiconductor, source drain double atomic layer SnO has the conductive properties of metal. The invention also provides a method for constructing a transistor model through calculation and simulation. The invention provides the transistor as the channel layer and the source drain using a single two-dimensional material SnO, ohmic contact to improve the channel layer and the source drain sidewall, greatly reduces the contact resistance between the two, improves the heat dissipation of the transistor; through simulation tests, that transistor has a high rate of electron transfer.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种由单一材料一氧化锡组成的晶体管，属于晶体管

技术介绍
自从20世纪70年代起，在摩尔定律的驱动下，晶体管不断向小型化发展，进入了纳米尺度时代。传统的硅基晶体管甚至可以达到3nm,更有可能出现几个原子到单个原子晶体管。然而，由于接触电阻和漏电流的影响，设备高集成度造成的散热问题也愈加严重。而且，对于几个原子的晶体管，其电子迁移率也比不上硅或者可替代的半导体。因此，有人提出一种可能的方法，就是将二维晶体材料作为基体材料。我们知道材料的维度和材料的相关性能息息相关。对于二维材料，电荷传输被限制在平面上，由于量子限域效应使得其具有许多有趣的性质。石墨烯就具有很好的电学和热力学性质，使得其在透明导体、高迁移率场的效应晶体管上有很大的应用前景。虽然石墨烯在室温下有很高的迁移率（室温下，105cm2V-1S-1），但是，它没有带隙，这使得它很难应用于数字场效应晶体管。因此，目前急需寻找一种除了石墨烯外的二维材料替代物，例如层状过渡金属硫化物/氧化物。这些材料大部分都具有一定的带隙，因此被认为在发展下一代电子器件方面可以很好地替代石墨烯。一般的二维材料，它们的层间具有范德华相互作用，在层内有很强的共价/离子键，使得其具有许多特别的物理化学性质。目前，对于锡单硫族化合物（SnX; X = O, S, Se, or Te）类材料在二维限域方面的研究还很少。锡在锡单硫化合物（SnX; X = O, S, Se, or Te）中的电子结构是4d105s25p0，其中锡的两个电子给了硫/氧原子。这类材料包括三维和二维的材料。在这类材料中锡的5s电子没有参与成键而组成未共用电子对。在SnO中，这些未共用电子对指向层间，导致偶极子与偶极子之间的相互作用，从而使得SnO层的范德华间距为2.52Å。而这种未成共用电子对在其他一硫化物中活跃性很小，这使得SnO与其他SnX化合物相比具有独特的性质。因此，SnO在[001]晶向形成Sn-O-Sn排序的层状结构。对于块状的SnO属于四方晶格，单胞的晶格常数为a=b=3.8Å和c=4.84Å，属于P4/nmm空间群。SnO被广泛研究应用于制备高迁移率p轨道薄膜晶体管和CMOS设备。尤其在适当的条件下，它是作为发展CMOS设备的理想选择，因为它具有双极性的传导。但是，SnO在二维限域方面的研究几乎没有。
技术实现思路
针对现有技术存在的在晶体管小型化过程中遇到的电子迁移率低、接触电阻高导致的散热性差等问题，本专利技术旨在设计一种晶体管，该晶体管在小型化的同时能够实现高电子迁移率、良好的散热性。基于上述专利技术目的，本专利技术的专利技术人通过计算及模拟等方法在锡单硫化合物（SnX; X = O, S, Se, or Te）中寻求一种二维材料进行晶体管的构建，并满足所构建的晶体管在小型化的同时能够实现高电子迁移率、良好的散热性的专利技术目的。本专利技术人通过反复研究、计算及测试SnO近二维限域的电学性质，得出具有半导体性质的单原子层SnO、以及具有金属性质的双原子层SnO。由此，本专利技术的技术方案为：构建一种晶体管，晶体管包括：Si衬底、形成于Si衬底前表面的沟道层以及源极和漏极、覆盖于沟道层上面的绝缘层、以及位于绝缘层上的栅极；其中沟道层围绕源极和漏极并在侧壁分别与源极及漏极形成电联接；且沟道层为具有半导体导电特性的单原子层SnO,源极和漏极为具有金属导电特性的双原子层SnO。本专利技术利用不同原子层数SnO的导电性不同，使用单一材料SnO作为所构建晶体管的沟道层、源极及漏极，这样沟道层与源漏极在侧壁的电接触为同质结侧壁的欧姆接触，极大的降低了两者的接触电阻，使得所构建的晶体管具有良好的散热性；另一方面，沟道层与源漏极的同质结侧壁的欧姆接触，提高了电子在界面的迁移率，实现高电子迁移率的专利技术目的。本专利技术还提供了一种晶体管模型的构建方法，包括以下步骤：1）选取Si单胞，对其进行结构优化。2）选取步骤1）优化后的Si衬底，在其（111）面上构建单原子层SnO，进行结构优化，并计算其电学性质；3）选取步骤1）优化后的Si衬底，在其（111）面上构建双原子层SnO，进行结构优化，并计算它的电学性质；根据步骤2）及步骤3）所得到的不同原子层的SnO所具有的电学性质，将其与Si衬底、绝缘层、栅极进行建模，得到的晶体管模型。附图说明图1为实施例1的计算模拟所使用的结构模型图。其中1为氢原子层，2为衬底硅，3为双原子层SnO，4为单原子层SnO。图2为本专利技术所设计的晶体管结构。图3为Si衬底的（111）面上构建的单原子层SnO的能带图。图4为Si衬底的（111）面上构建的双原子层SnO的能带图。图5为对本专利技术晶体管进行电流电压变化性能模拟测试的模型图。其中图2及图5中，5为晶体管衬底，6为沟道层，7为源极，8为漏极，9为绝缘层，10为栅极，11为极板。图6为对本专利技术晶体管进行电流电压性能模拟测试，偏压为0.1V时，电流随栅电压变化的测试结果图。图7为对本专利技术晶体管进行电流电压性能模拟测试，电流随着偏压变化的测试结果图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例进一步说明本专利技术。但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明使用，而不应理解为用于以任何形式限制本专利技术。专利技术人利用锡单硫化合物SnX（SnX; X = O, S, Se, or Te）电子结构的特性，以及其中SnO在[001]晶向形成Sn-O-Sn排序的层状结构、且与其他SnX化合物相比具有性质独特等特点，对SnO在二维限域方面的性质进行反复研究 ，通过计算、模拟及反复的结构优化等方法构建了以半导体性质的单原子层SnO为沟道层、以及具有金属性质的双原子层SnO为源漏极的晶体管。并通过进一步的性能模拟测试，证明本专利技术所构建的沟道层、源漏极由单一材料SnO形成的晶体管确实高电子迁移率以及良好的散热性。具体的，构建上面所述晶体管的实例如下。实施例11）选取Si原胞，其中其晶格常数a=b=c。选择三组晶格常数，驰豫后，计算每组晶格常数对应的能量，将得到的能量和对应的晶格常数进行函数拟合，得到最优晶格常数，a=b=c=2.715 Å。2）在步骤1）优化后的在Si衬底的（111）面上构建SnO单原子层，取晶格常数a=b（z方向为真空层,c=65.167Å）驰豫，然后计算相对应的能量，得到最优晶格常数a=b=3.840 Å，c=65.167Å；然后计算它的电学性质。3）在步骤1）优化后的在Si衬底的（111）面上构建SnO双原子层，取晶格常数a=b（z方向为真空层，c=65.167Å）驰豫，然后计算相对应的能量，得到最优晶格常数a=b=3.840 Å，c=65.167Å；然后计算它的电学性质。4）将步骤2）3）所得到的单原子层以及双原子层的SnO与Si衬底根据所得导电性进行建模，设计晶体管结构。所设计的晶体管为沟道层和源漏极由单一材料SnO形成，其中沟道层为步骤2）得到的单原子层SnO，源漏极为步骤3）得到的双原子层SnO，步骤1）的Si为晶体管衬底。如附图1，该图为专利技术人在上述步骤1）～3）进行计算模拟所使用的结构模型，其中从下至上依次为底层的氢原子层、衬底硅，以及形成于衬底硅（111）面上的单原子层SnO和双原子层SnO，其中氢原子层是为了在计算模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种晶体管，所述晶体管包括：Si衬底、形成于Si衬底前表面的沟道层、形成于Si衬底前表面的源极和漏极、覆盖于沟道层上面的绝缘层、以及位于绝缘层上的栅极；其中所述沟道层围绕源极和漏极并在侧壁分别与源极及漏极形成电联接；其特征在于：所述沟道层为具有半导体导电特性的单原子层SnO，所述源极和所述漏极为具有金属导电特性的双原子层SnO。

【技术特征摘要】
1.一种晶体管，所述晶体管包括：Si衬底、形成于Si衬底前表面的沟道层、形成于Si衬底前表面的源极和漏极、覆盖于沟道层上面的绝缘层、以及位于绝缘层上的栅极；其中所述沟道层围绕源极和漏极并在侧壁分别与源极及漏极形成电联接；其特征在于：所述沟道层为具有半导体导电特性的单原子层SnO，所述源极和所述漏极为具有金属导电特性的双原子层SnO。2.根据权利要求1所述的一种晶体管，其特征在于：所述单原子层SnO构建在Si(111)面上的晶格常数a=b=3.840 Å。3.根据权利要求1所述的一种晶体管，其特征在于：所述双原子层SnO构建在Si(111)面上的晶格常数a=b=3.840 Å。4.一种如权利要求1～3任意一项所述晶体管的模型的构建方法，其特征在于，包括步骤：1）选取Si单胞，对其进行结构优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆赟豪，吴琛，兰珍云，肖承诚，徐晓颖，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33