半导体缺陷态和界面态辅助带间隧穿的量子力学机理及其在隧穿晶体管中的应用

批准号:
11574304
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
文宏玉
依托单位:
学科分类:
A2002.凝聚态物质力热光电性质
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
王峙、马稳龙、裴洋、宋志刚
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中文摘要
半导体p-n结在足够大的反向偏压下在界面处会发生电子从价带到导带的量子隧穿,利用这种带间隧穿机制已经开发了新型的隧穿晶体管,它有望取代传统金属-氧化物-半导体场效应晶体管,成为未来低功耗集成电路的基本单元。但是,在大规模应用隧穿晶体管之前有许多关键物理问题尚待解决,特别是带间隧穿的低效率严重制约了它的高性能应用。本项目旨在研究半导体缺陷态和界面态辅助带间隧穿以及相应的量子过程机理。从带间隧穿的量子原理出发,基于经验赝势理论建立隧穿晶体管的大规模(百万原子)“原子尺度”量子模拟方法;采用密度泛函理论及量子模拟方法研究带隙缺陷态辅助带间隧穿的量子力学机理;研究异质结隧穿晶体管中的界面态效应,探讨界面拓扑态的存在性及其对带间隧穿过程的作用机理。在缺陷态和界面态辅助带间隧穿机理的研究基础上提出设计高性能隧穿晶体管的新方案,解决当前隧穿晶体管研究中的根本困难, 以期解释和预言新型器件
英文摘要
Inter-band quantum tunneling will happen when a semiconductor p-n junction is in a certain backward bias condition. Tunnel field-effect transistors based on such inter-band tunneling are widely believed to replace the traditional metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, as the building blocks of the next generation low-power integrated circuits. However, there are still many fundamental physical problems need to be solved before the large-scale application of the tunnel transistors. Especially, the very low inter-band tunneling efficiency sets a fundamental limit of the high performance application of the tunnel transistors. This project will study the quantum mechanism of semiconductor defect and interface state assisted inter-band tunneling. We will first develop a large-scale (million atom system) “atomistic” quantum mechanical simulation of tunnel field-effect transistors based on atomistic empirical pseudopotential theory. Then the quantum mechanism of band-gap defect state assisted inter-band tunneling will be thoroughly studied by density-functional theory and the quantum simulation method. And the effect of interface states of a heterojunction inter-band tunneling system will also be studied, including the existence of interface topological states and their effects on inter-band tunneling. Finally we will present some physical approaches to optimize the performance of tunnel transistors based on the understanding of defect and interface state assisted inter-band tunneling. This is in a way to solve the fundamental problems in tunnel transistors, to explain and predict novel device physics, as well as to guide the development of novel semiconductor devices.
半导体p-n结在足够大的反向偏压下在界面处会发生电子从价带到导带的量子隧穿,利用这种带间隧穿机制已经开发了新型的隧穿晶体管,它有望取代传统金属-氧化物-半导体场效应晶体管,成为未来低功耗集成电路的基本单元。但是,在大规模应用隧穿晶体管之前有许多关键物理问题尚待解决,特别是带间隧穿的低效率严重制约了它的高性能应用。本项目旨在研究半导体缺陷态和界面态辅助带间隧穿以及相应的量子过程机理。从带间隧穿的量子原理出发,基于经验赝势理论建立隧穿晶体管的大规模(百万原子)“原子尺度”量子模拟方法;采用密度泛函理论及量子模拟方法研究带隙缺陷态辅助带间隧穿的量子力学机理;研究异质结隧穿晶体管中的界面态效应,探讨界面拓扑态的存在性及其对带间隧穿过程的作用机理。在缺陷态和界面态辅助带间隧穿机理的研究基础上提出设计高性能隧穿晶体管的新方案,解决当前隧穿晶体管研究中的根本困难,以期解释和预言新型器件。项目执行四年来,在半导体带间隧穿(齐纳隧穿)理论与模拟研究方面取得了系列进展,基本完成了预期目标:1.基于密度泛函理论和量子输运计算,研究了传统半导体(如GaAs)及新兴二维半导体材料(如过渡金属硫族化合物TMD等)中缺陷态对齐纳隧穿的调制作用,并由此提出和设计了多种缺陷态调制的共振齐纳隧穿场效应晶体管,从理论上预言了器件性能的提高;2.发展了原子经验赝势方法,用于百万原子隧穿场效应晶体管量子模拟,研究了GaSb/InAs异质结的量子尺寸效应,并研究了异质结界面态对齐纳隧穿的影响。此外,受本项目资助,我们还拓展了CMOS器件典型可靠性问题的微观机理研究、超大规模第一性原理量子输运计算方法、陡峭亚阈值摆幅新原理器件设计等。项目共发表SCI期刊论文及微电子国际顶级会议论文31篇,其中包括Nature Material 1 篇,Nature Communications 1 篇,Phys.Rev.Applied/Phys.Rev.B 4 篇,IEDM 4 篇,IRPS 2 篇,项目组受邀国际会议报告 2 次,国内重要学术会议多次。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.024020
发表时间:2020
期刊:PHYSICAL REVIEW APPLIED
影响因子:--
作者:Liu Feilong;Liu Yueyang;Li Ling;Zhou Guofu;Jiang Xiangwei;Luo Junwei
通讯作者:Luo Junwei
Ab Initio Investigation of Charge Trapping Across the Crystalline-Si-Amorphous-SiO2 Interface
晶体-Si-非晶-SiO2 界面上电荷俘获的从头算研究
DOI:10.1103/physrevapplied.11.044058
发表时间:2019-04-18
期刊:PHYSICAL REVIEW APPLIED
影响因子:4.6
作者:Liu, Yue-Yang;Zheng, Fan;Wang, Lin-Wang
通讯作者:Wang, Lin-Wang
Two dimensional Schottky contact structure based on in-plane zigzag phosphorene nanoribbon
基于面内锯齿状磷烯纳米带的二维肖特基接触结构
DOI:10.1016/j.orgel.2017.02.002
发表时间:2017-05-01
期刊:ORGANIC ELECTRONICS
影响因子:3.2
作者:Fan, Zhi-Qiang;Sun, Wei-Yu;Li, Shu-Shen
通讯作者:Li, Shu-Shen
Quantum confinement modulation on the performance of nanometer thin body GaSb/InAs tunnel field-effect transistors
量子约束调制对纳米薄体GaSb/InAs隧道场效应晶体管性能的影响
DOI:10.1063/1.4985610
发表时间:2017-06
期刊:Journal of Applied Physics
影响因子:3.2
作者:Wang Zhi;Wang Liwei;En Yunfei;Jiang Xiang Wei
通讯作者:Jiang Xiang Wei
Giant decreasing of spin current in a single molecular junction with twisted zigzag graphene nanoribbon electrodes
扭曲之字形石墨烯纳米带电极单分子结中的自旋电流大幅减少
DOI:10.1016/j.carbon.2016.09.022
发表时间:2016-12-01
期刊:CARBON
影响因子:10.9
作者:Fan, Zhi-Qiang;Xie, Fang;Li, Shu-Shen
通讯作者:Li, Shu-Shen
HfO2本征缺陷态对MRAM磁化翻转机理的理论研究
- 批准号:--
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:30万元
- 批准年份:2021
- 负责人:文宏玉
- 依托单位:
国内基金
海外基金
