深纳米级硅因SiO$_2$与Si$_3$N$_4$包覆导致的电子结构偏移：替代杂质掺杂的新途径
介观与纳米尺度物理
2019-11-27 v1
摘要
用于超大规模集成（ULSI）的深纳米级硅（dns-Si）传统杂质掺杂在14 nm技术节点以下面临严峻挑战。我们在理论与实验中报道一种新的基本效应，即dns-Si的电子结构因SiO与SiN包覆（几层单分子层，MLs）而产生约1 eV的能量偏移。源自dns-Si、特定于介电质阴离子类型的界面电荷转移（ICT）是该效应的核心，且可论证地嵌套于氧（O）和氮（N）相对于Si的量子化学性质中。我们通过密度泛函理论（DFT）研究该能量偏移定义dns-Si电子结构的尺寸上限，考虑界面取向、包覆层厚度以及含两个硅纳米晶（NCs）的近似模型：一个嵌入SiO，另一个嵌入SiN。利用同步辐射紫外光电子能谱（UPS），我们使用SiO与SiN包覆的硅纳米阱（NWells）获取其价带顶态能量。这些结果证实了我们的理论发现，并标定了一个解析模型，用于预测能量偏移达到满量程的NCs、纳米线（NWires）和NWells的最大dns-Si尺寸，从而明确dns-Si中电子或空穴作为多数载流子的偏好。我们的发现可替代超低功耗电子与ULSI中使用的n/p型dns-Si杂质掺杂，消除与掺杂剂相关的问题如非弹性载流子散射、热电离、团簇、外扩散和缺陷生成。就多数载流子偏好而言，这些问题的消除将硅基ULSI器件尺寸下限有效移至硅结晶极限约1.5 nm，并使其能在低温条件下工作。
引用
@article{arxiv.1905.06090,
title = {Electronic Structure Shift of Deep Nanoscale Silicon by SiO$_2$- vs. Si$_3$N$_4$-Embedding as Alternative to Impurity Doping},
author = {Dirk König and Noël Wilck and Daniel Hiller and Birger Berghoff and Alexander Meledin and Giovanni Di Santo and Luca Petaccia and Joachim Mayer and Sean Smith and Joachim Knoch},
journal= {arXiv preprint arXiv:1905.06090},
year = {2019}
}
备注
14 pages, 17 Figures with a total 44 graphs