1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Микроэлектроника
  4. T. 52, № 6, 2023

Микроэлектроника, 2023, T. 52, № 6, стр. 459-468

Моделирование вертикального баллистического квантово-барьерного полевого транзистора на основе нелегированной AlxGa1 – xAs квантовой нанопроволоки

Д. В. Поздняков 1, *, А. В. Борздов 1, **, В. М. Борздов 1, ***

1 Белорусский государственный университет
220030 Минск, пр. Независимости, 4, Беларусь

* E-mail: pozdnyakov@tut.by
** E-mail: BorzdovAV@bsu.by
*** E-mail: Borzdov@bsu.by

Поступила в редакцию 29.06.2023
После доработки 10.09.2023
Принята к публикации 10.09.2023

Аннотация

Предложено конструктивно-топологическое решение и проведено моделирование туннельного полевого транзистора нового типа. Прибор представляет собой вертикальный баллистический полевой транзистор на основе находящейся в матрице Al2O3 цилиндрической нелегированной AlxGa1–xAs квантовой нанопроволоки с цилиндрическим металлическим затвором. Для заданной геометрии приборной структуры найдено оптимальное значение меняющейся вдоль канала транзистора доли алюминия в составе полупроводника, при котором в отличие от обычного туннельного полевого транзистора обеспечивается не только полное снятие квантового барьера для электронов положительным затворным напряжением, но и минимально возможное электрическое сопротивление канала транзистора. Рассчитаны вольт-амперные характеристики транзистора в рамках строгого квантово-механического описания электронного транспорта в его канале с учетом непараболичности зонной структуры полупроводника.

Ключевые слова: вертикальный полевой транзистор, полупроводниковая квантовая нанопроволока, баллистический перенос электронов

Список литературы

  1. Дьяконов В.П., Максимчук А.А., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. М.: СОЛОН-ПРЕСС. 2009. 512 с.

  2. Kim N., Park S., Kim Y., Kim H., Im H. Characteristics of ballistic tansport in short-channel MOSFETs // J. Korean Physical Society. 2004. V. 45. P. S928–S932.

  3. Rahman A., Guo J., Datta S., Lundstrom M.S. Theory of ballistic nanotransistors // IEEE Transactions on Electron Devices. 2003. V. 50. № 9. P. 1853–1864.

  4. Burke A.M., Carrad D.J., Gluschke J.G., Storm K., Fahlvik Svensson S., Linke H., Samuelson L., Micolich A.P. InAs nanowire transistors with multiple, independent wrap-gate segments // Nano Letters. 2015. V. 15. № 5. P. 2836–2843.

  5. Ullah A.R., Meyer F., Gluschke J.G., Naureen S., Caroff P., Krogstrup P., Nygard J., Micolich A.P. p-GaAs nanowire metal–semiconductor field-effect transistors with near-thermal limit gating // Nano Letters. 2018. V. 18. № 9. P. 5673–5680.

  6. Chen Z., Farmer D., Xu S., Gordon R., Avouris P., Appenzeller J. Externally assembled gate-all-around carbon nanotube field-effect transistor // IEEE Electron Device Letters. 2008. V. 29. № 2. P. 183–185.

  7. Seabaugh A.C., Zhang Q. Low-voltage tunnel transistors for beyond CMOS logic // Proceedings of the IEEE. 2010. V. 98. № 12. P. 2095–2110.

  8. Nazir G., Rehman A., Park S.-J. Energy-efficient tunneling field-effect transistors for low-power device applications: challenges and opportunities // ACS Applied Materials and Interfaces. 2020. V. 12. № 42. P. 47127–47163.

  9. Mah S.K., Ker P.J., Ahmad I., Zainul Abidin N.F., Ali Gamel M.M. A feasible alternative to FDSOI and FinFET: optimization of W/La2O3/Si planar PMOS with 14 nm gate-length // Materials. 2021. V. 14. № 19. P. 5721.

  10. Shin M. Non-equilibrium green’s function approach to three-dimensional carbon nanotube field effect transistor simulations // J. Korean Physical Society. 2008. V. 52. № 4. P. 1287–1291.

  11. Zhu G., Zhou X., Lee T.S., Ang L.K., See G.H., Lin S., Chin Y.-K., Pey K.L. A compact model for undoped silicon-nanowire MOSFETs with Schottky-barrier source/drain // IEEE Transactions on Electron Devices. 2009. V. 56. № 5. P. 1100–1109.

  12. Gupta S., Nandi A. Effect of air spacer in underlap GAA nanowire: an analogue/RF perspective // IET Circuits, Devices and Systems. 2019. V. 13. № 8. P. 1196–1202.

  13. Leonard F., Alec Talin A. Electrical contacts to one- and two-dimensional nanomaterials // Nature Nanotechnology. 2011. V. 6. P. 773–783.

  14. Appenzeller J., Knoch J., Bjork M.T., Riel H., Schmid H., Riess W. Toward nanowire electronics // IEEE Transactions on Electron Devices. 2008. V. 55. № 11. P. 2827–2845.

  15. Carrillo Nunez H. Combining the modified local density approach with variational calculus: a flexible tandem for studying electron transport in nano-devices // PhD-thesis. Universiteit Antwerpen: Antwerpen, 2012. 127 p.

  16. Memisevic E., Svensson J., Hellenbrand M., Lind E., Wernersson L.-E. Vertical InAs/GaAsSb/GaSb tunneling field-effect transistor on Si with S = 48 mV/decade and Ion = 10 μA/μm for Ioff = 1 nA/μm at VDS = 0.3 V // 2016 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA. 2016. P. 19.1.1–19.1.4.

  17. Борздов А.В., Поздняков Д.В., Борздов В.М., Орликовский А.А., Вьюрков В.В. Моделирование влияния поперечного электрического поля на дрейфовую скорость электронов в GaAs квантовой проволоке // Микроэлектроника. 2010. Т. 39. № 6. С. 436–442.

  18. Мейлихов Е.3., Лазарев С.Д. Электрофизические свойства полупроводников (справочник физических величин). М.: ЦНИИатоминформ, 1987. 87 с.

  19. Datta S. Electronic transport in mesoscopic systems. Cambridge, Cambridge University Press, 1995. 377 p.

  20. Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys // J. Applied Physics. 2001. V. 89. № 11. P. 5815–5875.

  21. Kaya A., Mao H., Gao J., Chopdekar R.V., Takamura Y., Chowdhury S., Saif Islam M. An investigation of electrical and dielectric parameters of sol–gel process enabled β-Ga2O3 as a gate dielectric material // IEEE Transactions on Electron Devices. 2017. V. 64. № 5. P. 2047–2053.

  22. Nguyen N.V., Kirillov O.A., Jiang W., Wang W., Suehle J.S., Ye P.D., Xuan Y., Goel N., Choi K.-W., Tsai W., Sayan S. Band offsets of atomic-layer-deposited Al2O3 on GaAs and the effects of surface treatment // Applied Physics Letters. 2008. V. 93. P. 082105-1–082105-3.

  23. Wu Y.Q., Lin H.C., Ye P.D., Wilk G.D. Current transport and maximum dielectric strength of atomic-layer-deposited ultrathin Al2O3 on GaAs // Applied Physics Letters. 2007. P. 072105-1–072105-3.

  24. Shamala K.S., Murthy L.C.S., Narasimha Rao K. Studies on optical and dielectric properties of Al2O3 thin films prepared by electron beam evaporation and spray pyrolysis method // Materials Science and Engineering B. 2004. V. 106. P. 269–274.

  25. Zuo E., Dou X., Chen Y., Zhu W., Jiang G., Mao A., Du J. Electronic work function, surface energy and electronic properties of binary Mg–Y and Mg–Al alloys: a DFT study // Surface Science. 2021. V. 712. P. 121880.

  26. Levinshtein M., Rumyantsev S., Shur M. Handbook series on semiconductor parameters. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1996. V. 1. 218 p.

  27. Levinshtein M., Rumyantsev S., Shur M. Handbook series on semiconductor parameters. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1999. V. 2. 205 p.

  28. Baltenkov A., Msezane A. Electronic quantum confinement in cylindrical potential well // The European Physical J. D. 2016. V. 70. P. 81.

  29. Gulyamov G., Gulyamov A.G., Davlatov A.B., Shahobiddinov B.B. Electron energy in rectangular and cylindrical quantum wires // J. Nano- and Electronic Physics. 2020. V. 12. № 4. P. 04023-1–04023-5.

  30. Pozdnyakov D., Borzdov A., Borzdov V., Labunov V. Calculation of electrophysical parameters of thin undoped GaAs-in-Al2O3 quantum nanowires and single-wall armchair carbon nanotubes // Proceedings of SPIE. 2010. V. 7521. P. 75210S-1–75210S-9.

  31. Pozdnyakov D. Influence of surface roughness scattering on electron low-field mobility in thin undoped GaAs-in-Al2O3 nanowires with rectangular cross-section // Physica Status Solidi B. 2010. V. 247. № 1. P. 134–139.

  32. Lopez-Villanueva J.A., Melchor I., Cartujo P., Carceller J.E. Modified Schrodinger equation including nonparabolicity for the study of a two-dimensional electron gas // Physical Review B. 1993. V. 48. № 3. P. 1626–1631.

  33. Wang Y., Zahid F., Zhu Y., Liu L., Wang J., Guo H. Band offset of GaAs/AlxGa1 –xAs heterojunctions from atomistic first principles // Applied Physics Letters. 2013. V. 102. P. 132109-1–132109-4.

  34. Поздняков Д.В., Борздов В.М., Комаров Ф.Ф. Расчет вольт-амперных характеристик симметричных двухбарьерных резонансно-туннельных структур на основе арсенида галлия с учетом процессов разрушения когерентности электронных волн в квантовой яме // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. Вып. 9. С. 1097–1100.

  35. Yamamoto H. Resonant tunneling condition and transmission coefficient in a symmetrical one-dimensional rectangular double-barrier system // Applied Physics A. 1987. V. 42. P. 245–248.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал