横截面形状效应对亚5nm(宽度)纳米线和碳纳米管器件的影响

Due to the limitation of fabrication process, the fabricated cross-sectional shape of nanowire transistor and carbon nanotube transistor is common to deviate from its ideal (square, circular) shape. Non-idea cross-sectional shapes including rectangular, elliptical, trapezoidal and triangular shapes were observed and reported. The non-ideal cross-sectional shape effects of nanowire and carbon nanotube field effect transistors are worth studying. It is proposed that the effects will be studied with numerical simulation for the transistors with a sub 5 num equivalent width..In the nanowire device simulation, the cross sectional shape dependent effective mass will be extracted first and the device characteristics will be obtained with quantum simulation. The cross sectional shape dependent band structure of nanowire will be calculated with the atomistic tight binding method. And the different shapes will be approximated with finite differential method in the 3D numerical simulation. In the carbon nanotube device quantum simulation, pz orbit tight binding method will be used to describe the nanotube. And Poisson equation with different cross-sectional shapes will be used to model the shape dependent electrostatic potential. .This project comes from the result of fabrication process. Numerical method is utilized to explore the cross-sectional effects on the performance of semiconductor devices. It is of practical importance and application values..

工艺流程的限制使纳米线、碳纳米管器件的横截面偏离理想的形状（方形、圆形），文献报道中观察到了矩形、椭圆形、梯形、三角形等多种形状，这些非理想的横截面的形状和尺寸对器件特性有何种影响，及这种影响有多大，是值得探究的问题。本项目基于数值模拟方法，针对横截面等效宽度小于5 nm的情况，对该效应进行研究。. 在纳米线器件的模拟中，首先基于原子轨道紧束缚法，研究纳米线横截面的形状和尺寸对能带结构的影响，然后提取横截面形状相关的有效质量，采用有限差分法实现不同形状的横截面，基于三维量子输运方法进行器件特性模拟。在碳纳米管器件模拟中，基于pz轨道紧束缚法，考虑不同横截面的泊松电势，实现对器件的量子模拟。. 本项目源于真实工艺现象，运用数值方法，揭示截面形状尺寸与器件特性的关系，具有重要的现实意义和应用价值。

由于工艺制备中的非理想效应，FinFET器件、环栅结构的纳米线、碳纳米管等器件在制备中，往往偏离理想的形状，文献报道中观察到了不同的横截面形状，本项目针对这些非理想的横截面形状和尺寸对器件特性的影响进行了研究。本项目基于数值模拟方法，针对不同大小、不同横截面形状的器件进行了分析。.首先基于有效质量近似，利用基于非平衡格林函数法的量子弹道输运理论，考虑了FinFET器件和环栅结构的纳米线器件中，器件的非理想横截面形状对特性的影响。在FinFET器件结构中，考虑了梯形、矩形、三角形的横截面形状，在环栅结构纳米线中，考虑了圆形、椭圆形、方形、矩形、梯形、三角形等横截面形状，分析了这些效应对器件特性的影响。然后在基于有效质量近似工作的基础上，进一步基于密度泛函方法的第一性原理计算结果，获取能带结构，分析了横截面形状对环栅结构纳米线能带的影响，并基于最大局域化Wannier函数方法，获取紧束缚的哈密尔顿量，再基于非平衡格林函数的量子弹道输运，获取器件的特性。通过这一流程，从能带结构的物理属性出发，到工程应用中的器件特性优化，把底层物理图景与工程优化通过数值模拟进行结合，可以为纳米器件的设计和制备提供参考。在环栅结构的碳纳米管器件中，考虑了改变栅介质厚度和电介质常数的不同结构，分析了环栅碳纳米管器件中的电介质对器件特性的影响。.这种基于DFT和Wannier函数的多尺度仿真方法，得到的哈密尔顿量不依赖于经验参数，而且在精度和效率之间有一个较好地折衷，把器件的特性和能带结构联系起来，在半导体器件研究中具有很好的推广价值。.在本项目的支持下，发表了20篇研究论文，其中国际期刊14篇，国内核心期刊2篇，国内一般期刊1篇，会议论文3篇。出版学术专著1章，参加国际会议4人次，申请发明专利1项。项目经费按照规范使用，项目达到了预期目标，完成了预期研究成果任务。.