2次元単原子層材料を用いた集積デバイスの性能予測

使用二维单原子层材料的集成器件的性能预测

基本信息

批准号：
15K05985
负责人：
土屋英昭
金额：
$ 3.16万
依托单位：
Kobe University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-01 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15K05985/
关键词：
グラフェン h-BN モンテカルロゲルマネンシリセン

项目摘要

近年シリコン電界効果トランジスタ(Si-MOSFET)の微細化が進んでいるが、量子物性的な要因によりこれが限界を迎えてきている。そこでMOSFETのチャネル材料やチャネル構造を改良することで性能を向上させる試みが注目を浴びている。本研究では新しいチャネル材料を用いることによるチャネル移動度の向上、消費電力の低下を目的としている。そこでチャネル材料として単一原子層からなる二次元材料に注目し、実際の電子デバイスへの応用を想定したうえで電気特性を解析した。二次元材料の中でも特に炭素、シリコン、ゲルマニウム原子から構成されるグラフェン、シリケイン、ゲルマナンに注目した。グラフェンは高い電気移動度特性を持ち、チャネル材料として極めて有用である。実際のデバイスではグラフェンを基板の上に乗せて用いることが想定されるが、この基板表面の影響により移動度が低下してしまうことが考えられるので、最適な基板の選択が求められている。本研究ではh-BN(ヘキサゴナルボロンナイトライド)という物質を用いた基板に着目し、モンテカルロシミュレーションにより速度電界特性を解析した。その結果、基板上グラフェンの飽和速度は基板がない状態に比べて低下すると考えられていたがh-BN基板上グラフェンでは基板がない状態よりも逆に飽和速度が増大するという興味深い結果が得られた。次に、グラフェンナノリボン、シリセンナノリボン及びゲルマネンナノリボンをチャネルとするFETのバリスティック性能を材料間で比較検討する取り組みを行った。強束縛近似法によるバンド構造解析とバリスティックＦＥＴモデルを結合させる手法を用いて、３種類のナノリボンＦＥＴの性能比較を行った。その結果、同一のバンドギャップ値（オフ電流値）の下では、グラフェンナノリボンＦＥＴが最も高い電流駆動力を示す可能性があることを示した。

近年来，硅场效应晶体管（Si-MOSFET）的小型化取得了进展，但由于量子物理因素，这已达到极限。因此，通过改进MOSFET沟道材料和沟道结构来提高性能的尝试受到关注。本研究旨在通过使用新的沟道材料来提高沟道迁移率并降低功耗。因此，我们重点关注由单原子层组成的二维材料作为沟道材料，并假设其应用于实际电子设备，分析其电学特性。在二维材料中，我们特别关注由碳、硅和锗原子组成的石墨烯、硅酮和锗烷。石墨烯具有高电迁移率特性，作为沟道材料非常有用。在实际器件中，假设石墨烯将被用在基板上，但基板表面的影响可能会降低迁移率，因此需要选择最佳的基板。在本研究中，我们重点关注使用 h-BN（六方氮化硼）物质的基板，并使用蒙特卡罗模拟分析了速度电场特性。结果，认为有基板上的石墨烯的饱和率会比没有基板的情况下低，但得到了有趣的结果，与没有基板的情况相比，h-BN基板上的石墨烯的饱和率增加了塔。接下来，我们对使用石墨烯纳米带、硅烯纳米带和锗烯纳米带作为通道的FET的弹道性能进行了比较研究。我们使用一种将强结合近似方法的能带结构分析与弹道 FET 模型相结合的方法，比较了三种类型纳米带 FET 的性能。结果表明，在相同带隙值（截止电流值）下，石墨烯纳米带FET可以表现出最高的电流驱动功率。