[论文解读] Simulations of gated Si nanowires and 3-nm junctionless transistors

Lida Ansari, Baruch Feldman+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2010

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 13被引用 71

一句话总结

本论文通过第一性原理模拟研究了栅极全环绕（GAA）结型绝缘硅纳米线晶体管在1 nm线径和3 nm栅长下的性能，结果表明此类器件可实现强电场控制并达到接近理想极限的亚阈值摆幅。结型绝缘设计作为一种均匀掺杂的‘栅控电阻’，在这些极端尺度下依然具有可行性与有效性，其短通道控制能力优于传统结型MOSFET，且对掺杂剂波动具有更强的鲁棒性。

ABSTRACT

Inspired by recent experimental realizations and theoretical simulations of thin silicon nanowire-based devices, we perform predictive first-principles simulations of junctionless gated Si nanowire transistors. Our primary predictions are that Si-based transistors are physically possible without major changes in design philosophy at scales of ~1 nm wire diameter and ~3 nm gate length, and that the junctionless transistor may be the only physically sensible design at these length scales. We also present investigations into atomic-level design factors such as dopant positioning and concentration.

研究动机与目标

• 研究在栅长小于3 nm、线径小于1 nm的尺度下，传统结型MOSFET因制造与物理限制而面临根本性挑战时，硅纳米线晶体管的可行性。
• 评估结型绝缘晶体管概念在原子尺度尺寸下是否仍具有物理可行性和有效性。
• 分析掺杂剂局域化、浓度及位置对这些尺度下器件性能的影响。
• 利用预测性第一性原理方法，分析栅极全环绕（GAA）结型绝缘纳米线结构中的电场控制与短通道效应。
• 确定在1 nm技术节点下，结型绝缘设计是否为唯一在物理上合理的选项。

提出的方法

• 采用DFTB+代码进行第一性原理电子结构计算，使用从DFT获得的自洽密度泛函紧束缚（DFTB）参数。
• 通过在纳米线周围排列的固定点电荷模拟栅极电场，实现栅极全环绕（GAA）结构，介质常数设为ε = 25（对应HfO₂）。
• 使用包含约800个原子的超胞模拟高掺杂浓度（N = 8×10²⁰ cm⁻³）的掺杂Si纳米线，分别模拟n型（As）和p型（Ga）掺杂。
• 利用周期性边界条件计算电子结构与哈密顿量，随后通过Landauer公式与格林函数方法进行非自洽输运分析。
• 采用Mulliken布居分析评估高掺杂水平下掺杂剂电子/空穴的局域化与非局域化效应。
• 利用TIMES输运代码计算透射函数T(E)，定量评估亚阈值摆幅与I-V特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在栅长约3 nm、线径约1 nm的条件下，结型绝缘硅纳米线晶体管是否能维持有效的电场控制与关断行为？
• RQ2 在超薄、高掺杂的纳米线中，掺杂剂的局域化与非局域化如何影响电导率与器件工作特性？
• RQ3 掺杂剂在纳米线横截面内的位置变化对能带结构与电流-电压特性有何影响？
• RQ4 在原子尺度下，结型绝缘设计是否在亚阈值摆幅与短通道效应抑制方面优于传统结型MOSFET？
• RQ5 在这些极端尺度下，器件性能与开/关电流比对掺杂剂波动的鲁棒性如何？

主要发现

• 结型绝缘晶体管设计在1.15 nm线径（R_NW = 0.6 nm）和3.1 nm栅长下仍能正常工作，亚阈值摆幅接近理想极限。
• 器件表现出强电场控制能力，I_off < 10⁻⁶ I_on，表明在负栅压下可通过夹断效应实现有效关断。
• 即使在0 K下，掺杂剂电子与空穴的非局域化半径也达约1.5 nm，与理论估算（R_loc ≈ 4 nm）一致，归因于有效质量和介电效应。
• Mulliken布居分析证实，整个超胞均受掺杂影响，表明在高掺杂水平下电离并非导电所必需。
• 结型绝缘设计对掺杂剂波动具有鲁棒性，其工作原理在掺杂剂位置与浓度变化下仍保持稳定。
• GAA结构通过优异的栅控能力，实现了近乎理想的亚阈值摆幅，即使在3 nm栅长下亦成立，验证了其在1 nm节点中的适用性。