ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐINH VIỆT NGA XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG 3D TÁN XẠ PHONON CHO CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG Chuyên ngành:VẬT LÝ VÔ TUYẾN & ĐIỆN TỬ (HƯỚNG KỸ THUẬT) Mã số: 02 06 4403 211 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐINH SỸ HIỀN TP. HỒ CHÍ MINH – 2009 i LÔØI CAÛM ÔN Tôi xin dành trọn những dòng đầu tiên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Đinh Sỹ Hiền, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đến Quý thầy, cô giáo của Khoa Điện Tử- Viễn Thông, Phòng Quản lý nghiên cứu Khoa học và Đào tạo Sau Đại học của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo mọi đ iều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Con xin gửi đến ba mẹ lòng biết ơn chân thành nhất, ba mẹ là người đã động viên, tạo điều kiện rất nhiều cho con trong quá trình thực hiện đề tài. Cảm ơn em gái của chị đã hết lòng ủng hộ và khích lệ chị vượt qua những thời điểm khó khăn nhất. Sau cùng, tôi xin cảm ơn các bạn đồ ng môn đã cùng tôi chia sẻ niềm vui, nỗi buồn trong những năm qua, động viên và giúp đỡ khi tôi gặp trở ngại. Với tấm lòng luôn biết ơn, tôi xin mãi khắc ghi! TP HCM, tháng 8 năm 2009. Tác giảû Đinh Việt Nga ii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn i Mục lục ii Danh mục các bảng v Danh mục các hình vẽ vi Danh mục các kí tự và từ viết tắt xi MỞ ĐẦU 1 PHẦN 1: TỔNG QUAN Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỐNG NANÔ CACBON 3 1.1. Lịch sử của ống nanô cacbon 3 1.2. Cấu trúc nguyên tử 3 1.3. Công nghệ chế tạo ống nanô cacbon hiện hành 12 Chương 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANÔ CACBON 14 2.1. Giới thiệu transistor hiệu ứng trường ống nanô cacbon 14 2.2. Cấu trúc hình học của CNTFET 16 2.2.1. Cấu trúc hình học của CNTFET phẳng 16 2.2.2. Cấu trúc hình học của CNTFET đồng trục 17 2.3. Các loại CNTFET 17 2.3.1. Transistor hiệu ứng trường ống nanô cacbon cổng sau 18 2.3.2. Transistor hiệu ứng trường ống nanô cacbon cổng đỉnh 20 2.3.3. Các loại CNTFET khác 23 iii 2.3.3.1. CNTFET loại n và CNTFET lưỡng cực 23 2.3.3.2. CNTFET đa tường 25 2.3.3.3. CNTFET trục đứng 26 2.4. Chế tạo CNTFET cổng đỉnh phẳng như thế nào 28 Chương 3: MÔ PHỎNG TÁN XẠ PHONON CHO CNTFET PHẲNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN HÀM GREEN KHÔNG CÂN BẰNG (NEGF) 30 3.1. Công thức cho hàm Green không cân bằng 30 3.2. Mô phỏng SWNT-FET trong miền không gian thực 32 3.3. Mô phỏng SWNT-FET trong miền không gian chuẩn 33 3.3.1. Đặc trưng linh kiện ở giới hạn đạn đạo 34 3.3.2. Thuật toán NEGF cho tán xạ phonon trong CNTFET 36 3.3.3. Phương trình Poisson 40 3.3.4. Tán xạ điện tử - phonon 41 3.3.5. Một số phương pháp giải bài toán vận chuyển có hao phí 42 3.3.5.1. Xử lý tán xạ phonon quang (OP) 42 3.3.5.2. Xử lý tán xạ phonon âm (AP) 43 PHẦN 2: THUẬT TOÁN VÀ MÔ PHỎNG Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THUẬT TOÁN MÔ PHỎNG VỚI MATLAB 7.0 46 4.1. Mô hình toán học sử dụng trong mô phỏng CNTFET phẳng 46 4.2. Cấu trúc thuật toán mô phỏng 3D với MATLAB 48 4.2.1. Sơ đồ thuật giải sử dụng trong mô phỏng CNTFET phẳ ng 48 4.2.2. Thuật toán mô phỏng 2D, 3D đặc trưng dòng thế 50 iv Chương 5: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 53 5.1. Mô phỏng CNTFET phẳng ở giới hạn đạn đạo 53 5.1.1. Mô hình CNTFET phẳng 53 5.1.2. Màn hình chính của CNTFET phẳng 53 5.1.3. Mô phỏng đặc trưng dòng thế của CNTFET phẳng ở giới hạn đạn đạo 56 5.1.3.1. Trong không gian hai chiều (2D) 56 5.1.3.2. Trong không gian ba chiều (3D) 60 5.2. Mô phỏng CNTFET phẳng có tán xạ phonon 64 5.2.1. Trong không gian hai chiều (2D) 64 5.2.2. Tán xạ phonon trong không gian ba chiều (3D) 66 KẾT LUẬN 73 Tài liệu tham khảo 75 Phụ lục code Matlab 80 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Mô tả Trang Bảng 1.1 Phân loại ống nanô cacbon. 9 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Chú thích Trang Hình 1.1. Sự sắp xếp các orbitalÆ lớp graphen Æ cuộn tròn thành CNT. 4 Hình 1.2. i) Định dạng của ống nanô cacbon từ lá grafit; ii) cấu trúc ống nanô với dạng fullerence; iii) phân tử fullerene (C60). 4 Hình 1.3. Định dạng của CNT đơn tường từ tấm graphen. 6 Hình 1.4. Định nghĩa vectơ trong mạng lục giác. 6 Hình 1.5. Cấu trúc ống CNT kim loại và bán dẫn. 8 Hình 1.6. Một vài ví dụ về ống nanô cacbon với những chỉ số (n,m) khác nhau. 9 Hình 1.7. Các bó ống nanô đơn tường. 13 Hình 2.1. Cấu trúc CNTFET ban đầu. Ống nanô được xếp lên trên điện cực nguồn và máng. Nền Si pha tạp đóng vai trò là cổng. Mô hình được giới thiệu năm 1998. 14 Hình 2.2. (a) Ảnh AFM của CNTFET cổng phẳng trên thực tế (b) Cấu trúc hình học mô phỏng cho CNTFET phẳng. 15 Hình 2.3. Cấu trúc ống nanô cacbon đồng trục. 16 Hình 2.4. a) Ảnh AFM của ống nanô cacbon riêng biệt đặt trên ba điện cực Pt. b) Sơ đồ mặt bên của linh kiện. Một ống nanô bán dẫn được nối với 2 điện cực. Nền Si được bao bởi 1 lớp SiO 2 dày 300 nm đóng vai trò như cổng sau. c) Mô hình CNTFET cổng sau. Cực cổng được giấu bên 17 vii dưới linh kiện. Hình 2.5. a) Sơ đồ vùng của linh kiện. Ống nanô được nối đến các đầu dẫn với năng lượng Fermi E F nhờ xuyên hầm qua các đầu nối (là những thanh đứng màu đen). b) Thế thiên áp đặt vào cho vùng cấm của rào. 18 Hình 2.6. Đường I-V đối với giá trị khác nhau của thế cổng. Giản đồ lồng vào cho thấy độ dẫn tại thế V thiên áp = 0 như là hàm của thế cổng. 19 Hình 2.7. (a) Sơ đồ mô hình của 1 loại CNTFET cổng đỉnh với oxít cổng mỏng. Cực cổng bao kín ống nanô và được tách biệt bởi 1 lớp điện môi. (b) Ảnh nhìn từ phía trên của 1 CNTFET cổng đỉnh. Ống nanô đơn tường đi ngang qua vùng cổng. Oxit Ta được sử dụng làm chất điện môi. 20 Hình 2.8. a) Sơ đồ mặt cắt của CNTFET cổng đỉnh b) Ảnh SEM của CNTFET với ống nanô có chiều dài L c) CNTFET có cổng nằm phía trên lớp phim HfO 2 d) Đặc trưng I d -V gs với L khác nhau. 21 Hình 2.9 a) Sơ đồ khối của quá trình pha tạp kali. b) Đặc trưng dòng thế của ống nanô pha tạp kali cho thấy các đặc điểm của 1 CNTFET loại n. 22 Hình 2.10. Dòng hoạt động trên CNTFET (trục bên trái) và chiều cao SB (trục bên phải) là hàm theo đường kính CNT với cực nguồn máng là Pd, Ti và Al. 25 Hình 2.11. Sự thay đổi độ dẫn theo thế cổng của MW CNTFET ở nhiệt độ khác nhau. 26 Hình 2.12. CNTFET trục đứng (giới thiệu bởi hãng Infineon Technology 11-2003). 27 Hình 2.13. Trước tiên một ống nanô cacbon sẽ được nối giữa nguồn và máng. Một lớp điện môi sẽ bọc lớp bán dẫn ống nanô cacbon. Kim loại cổng sẽ hình thành ở giai đoạn 3 và CNTFET trục đứng được tạo thành. 27 Hình 2.14. Quy trình chế tạo CNTFET cổng đỉnh. 28 viii Hình 3.1. Transistor gồm kênh nối giữa cực nguồn và máng. Dòng nguồn-máng được điều biến bằng điện cực thứ ba, cực cổng. Các đại lượng có liên quan trong công thức NEGF cũng được mô tả. 32 Hình 3.2 Orbitan p z quan sát dưới góc nhìn lượng tử. 33 Hình 3.3. (a) Cấu trúc của linh kiện; (b) mô hình NEGF có tán xạ phonon và Hamilton trong không gian chuẩn. 37 Hình 3.4. - Cấu trúc vòng A, B trong ống nanô cacbon. 38 Hình 3.5. Sơ đồ tán xạ phonon trong ống nanô cacbon [3]. 42 Hình 4.1. Mô hình CNTFET phẳng. 46 Hình 4.2. Sơ đồ thể hiện cho thuật toán lặp giữa thuật giải NEGF và Poisson. 47 Hình 4.3. Cấu trúc tiếp xúc của ống CNT với 2 mức Fermi khác nhau của nguồn-máng. Khi có sự chênh lệch giữa 2 mức Fermi sẽ xuất hiện dòng điện tử chuyển dời qua CNT [25]. 48 Hình 4.4. Sơ đồ thuật toán mô phỏng đặc trưng I-V của CNTFET phẳng trong chương trình MatLab. 49 Hình 4.5. Hộp thoại báo lỗi nhập sai giá trị khi khai báo thông số cho CNTFET phẳng. 50 Hình 5.1 Mô hình CNTFET với kênh nối các tiếp xúc nguồn máng và các đại lượng trong tính toán NEGF. 53 Hình 5.2 Màn hình chính của chương trình mô phỏng CNTFET phẳng 54 Hình 5.3 Đặc trưng I d – V ds của CNTFET phẳng với cấu trúc CNTFET zigzag (19,0) (d ∼ 1.5 nm) với chiều dài CNT là L = 80 nm,cổng oxit có độ dày 8 nm và V g = 0.2 V. 57 Hình 5.4 Ảnh AFM và sơ đồ mặt cắt ngang của CNT n-FET. SWNT 57 ix (d ∼ 1.5 nm) có chiều dài kênh L S/D _150 nm giữa hai cực nguồn/máng Pd. Lớp điện môi cổng HfO 2 dày t OX = 8 nm. Đặc trưng dòng máng của CNTFET phẳng được mô tả ở hình cuối [23]. Hình 5.5 Các đường đặc trưng I d – V ds của CNTFET phẳng (19,0) với vật liệu nguồn/máng khác nhau. Đường kính ống nanô d ∼ 1.5 nm. Vật liệu cổng là HfO 2 (Κ = 11) dày 8 nm. 58 Hình 5.6 Các đường đặc trưng I d – V ds của CNTFET phẳng với cấu trúc như trên khi thế cổng V g biến thiên 0.1V – 0.6V. 59 Hình 5.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc trưng dòng thế máng của CNTFET phẳng trong kiểu 3D. 60 Hình 5.8 Đặc trưng dòng thế máng kiểu 3D biểu thị sự phụ thuộc của dòng máng bão hòa vào độ dài xét với loại CNTFET zigzag (22,0) trong giới hạn đạn đạo. 61 Hình 5.9 Đặc trưng dòng thế máng kiểu 3D biểu thị sự phụ thuộc của dòng máng bão hòa vào độ dày lớp oxit cổng của CNTFET phẳng ballistic. 62 Hình 5.10 Sơ đồ CNTFET cổng đỉnh phẳng với chất điện môi cổng là Si 3 N 4 (Silicon Nitride) [5]. 63 Hình 5.11 Đặc trưng I – V cho CNTFET (16,0) khi chuyển dời đạn đạo và có tán xạ phonon. (a) V GS biến thiên trong khoảng 0.1V – 0.6V (b) Khi V GS = 0.7, dòng suy giảm đáng kể đến 14% so với dòng chuyển dời đạn đạo. (c) So sánh dòng chuyển dời đạn đạo và các kiểu tán xạ phonon khi V GS thay đổi [8, 34]. 65 [...]... tỉ lệ với 1/d2 8 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG Hình 1.5 Cấu trúc ống CNT kim loại và bán dẫn Bảng 1.1 sau đây trình bày cách phân loại ống nanô cacbon và các đặc trưng tương ứng Bảng 1.1 Phân loại ống nanô cacbon 9 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG Hình 1.6 Một vài ví dụ về ống nanô cacbon... 15 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG 2.2 Cấu trúc hình học của CNTFET máng Nguồn Nguồn ống nanô SiO2 Cực nguồn Cực máng ống nanô Bề mặt chất điện môi Cực cổng Hình 2.2 (a) Ảnh AFM của CNTFET cổng phẳng trên thực tế (b) Cấu trúc hình học mô phỏng cho CNTFET phẳng 2.2.1 Cấu trúc hình học của CNTFET phẳng Hình 2.2 (a) mô tả ảnh AFM của CNTFET cổng phẳng. .. nano cacbon Chương 3: Mô phỏng tán xạ phonon cho CNTFET phẳng sử dụng thuật toán hàm Green không cân bằng (NEGF) Phần 2: THUẬT TOÁN VÀ MÔ PHỎNG Chương 4: Xây dựng mô hình và thuật toán mô phỏng với Matlab 7.0 Chương 5: Phân tích kết quả mô phỏng Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục code Matlab 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN... cao Hình 2.8 (c) minh họa cấu trúc cổng đỉnh của CNTFET và đặc trưng Id-Vg của nó (hình 2.8 (d)) Hình 2.8 a) Sơ đồ mặt cắt của CNTFET cổng đỉnh b) Ảnh SEM của CNTFET với ống nanô có chiều dài L c) CNTFET có cổng nằm phía trên lớp mỏng HfO2 d) Đặc trưng Id-Vgs với L khác nhau 22 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG 2.3.3 Các loại CNTFET khác Những CNTFET. .. 10-10 m 16 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG 2.2.2 Cấu trúc hình học của CNTFET đồng trục Hình 2.3 là mô hình cấu trúc linh kiện được lý tưởng hóa Tuy không đáng tin cậy trong thực nghiệm nhưng nó dễ mô phỏng hơn cấu trúc CNTFET phẳng và cho kết quả tương tự Trong cấu trúc hình học này, cực cổng bao quanh ống nanô và chất điện môi lấp đầy khoảng... tiết, trong đó có quá trình tán xạ qua trung gian là các phonon âm (acoustic phonon (AP)), phonon quang (optical (OP)) Kết quả mô phỏng cho CNTFET loại zigzag bán dẫn như zigzag (16,0), (19,0) và (22,0) sẽ hữu ích cho dải đường kính đang được nghiên cứu để có thể ứng dụng vào thực nghiệm 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG Luận văn có cấu trúc... độ của mẫu xuống 160 K, trở kháng bão hòa tăng từ 1 lên đến 4 MΩ Kết quả này được minh họa qua giản đồ vùng mô tả ở hình hình 2.5(a) Hình 2.6 cho thấy đường cong I-V đối với CNTFET Hình 2.5 a) Sơ đồ vùng của linh kiện Ống nanô được nối đến các đầu dẫn với năng lượng Fermi EF nhờ xuyên hầm qua các đầu nối (là những 19 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG... làm cho tất cả các linh kiện đặt trên chất nền đều hoạt động liên tục Các CNTFET có cấu trúc hình học mở, trong đó các CNT được để ngoài không khí Điều này cho thấy một nhược điểm về điện dung trong chất cách điện ở cổng bị ảnh hưởng bởi hằng 20 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG số điện môi thấp hơn Gần đây, Bachtold đưa ra mẫu mô hình cấu trúc... ngang qua vùng cổng Oxit Ta được sử dụng làm chất điện môi 21 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG Mặt khác, trong cấu trúc hình học cổng đỉnh (hình 2.8 (a)) thì CNT được gắn hoàn toàn bên trong chất cách điện cổng, tận dụng được toàn bộ ưu thế của điện môi cực cổng Một nhược điểm của mô hình mở này là các CNT được gắn ngoài không khí nên chỉ thể hiện... việc sử dụng các kim loại này cũng gây ra những sai hỏng trong cấu trúc CNT CVD là phương pháp rất hiệu quả khi muốn tạo ra CNT ở vị trí đặc biệt 12 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG Hình 1.7 Các bó ống nanô đơn tường Các CNT được tổng hợp có chiều dài khoảng vài chục micrô Chúng trồi lên nhờ vào lực Van der Waals và tạo thành các bó (hình 2.11) . vùng dẫn và các tính chất vận chuyển. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG 5 Hình 1.1. Sự sắp xếp các orbitalÆ. TOÁN VÀ MÔ PHỎNG Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THUẬT TOÁN MÔ PHỎNG VỚI MATLAB 7.0 46 4.1. Mô hình toán học sử dụng trong mô phỏng CNTFET phẳng 46 4.2. Cấu trúc thuật toán mô phỏng 3D với. phụ thuộc vào độ cong của ống. Giá trị lớn hơn ứng với độ cong nhiều hơn. (1.5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG 7 Hình 1.3.