一种基于二硫化钼的CMOS反相器的仿真结构及应用

本发明属于半导体器件，具体设计了一种用于分析基于二硫化钼的cmos反相器特性的仿真结构和应用。

背景技术：

1、自2004年石墨烯材料问世以来，二维材料因其优越的电学和力学性能而备受关注，基于二维材料的纳米电子器件为进一步小型化提供了可能，被认为是未来几最有可能取代硅的材料之一。然而石墨烯因为能带间隙小不利于向数字逻辑电路的发展。这促使人们寻找其他具有明显带隙的二维材料。近年来，基于mos2制造的电子器件和电路得到了广泛关注，二维mos2与传统硅相比拥有较大优势，它比纳米级别厚的硅薄膜更薄，介电常数比硅小，而且具有高的热稳定性、抗氧化性、无悬挂键等特点。基于mos2的场效应晶体管具有较大的开/关比、极高的载流子迁移率和相对较小的亚阈值摆幅，这使它们在数字逻辑电路方面的应用潜力较大，尤其是在作为最基本的逻辑门电路之一的反相器中的应用得到人们的广泛研究。

2、实际制备基于mos2反相器的过程工艺非常复杂，制作成本较高，为了使mos2表现出p沟道到点特性需要对其进行掺杂，目前的掺杂工艺对二维材料薄膜的质量产生影响，甚至存在与现有的cmos工艺存在不兼容的问题，对于分析mos2反相器的特性参数难度较大，而且因为二维mos2这种材料比较新颖，大多数仿真软件库里没有这个材料，这为相关的仿真研究带来了一定难度。近年来，有关二维材料的仿真研究非常少，大部分研究停留在了单一的场效应晶体管上、实际制备分立器件的研究比较多，这些无法深入研究以反相器为基本电路的数字逻辑电路的研究，为二维材料在实际集成电路的发展产生不利影响。

3、

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种用分析基于二硫化钼的cmos反相器特性的仿真结构和应用，以解决的实际基于mos2材料制备的cmos反相器的特性参数分析困难问题，弥补基于二维材料的器件和电路仿真的不足。

2、为了达到上述目的，本发明了提供一种用分析基于二硫化钼的cmos反相器特性的仿真结构的具体技术方案如下：

3、步骤s1：利用silvacotcad建立基于mos2的n型和p型背栅场效应晶体管：合理划分网格结构，并定义p型和n型mos2材料、硅衬底、栅氧化层以及电极材料；

4、步骤s2：获得p型和n型mos2场效应晶体管的仿真结果，实现两个晶体管的输出特性相匹配；

5、步骤s3：将p型和n型mos2晶体管定义在相同衬底上，定义mos2反相器的结构，并将此结构导入silvaco软件中的mixedmode模块进行电路仿真，验证其基本逻辑功能和仿真特性；

6、步骤s4：将二硫化钼的cmos反相器的结构和程序导出，形成一种分析基于二硫化钼的cmos反相器特性参数的仿真结构；

7、可选的，在所述仿真结构中，在步骤s1中，网格的划分包括对x轴和y轴，其中，所述x轴和y轴垂直。

8、可选的，在所述仿真结构中，在步骤s1中，mos2是在硅材料的基础上，通过p型和n型掺杂、p型和n型的掺杂浓度均为1e17以及cvt模型参数的修正定义的，所使用的模型为cvtsrh和boltzmann模型。

9、可选的，在所述仿真结构中，在步骤s1中，建立mos2场效应晶体管的结构，mos2晶体管沟道长度为1.2um、宽度为1um，mos2的长度为1.2um、厚度为6nm，硅衬底厚度为200nm，栅氧化层材料为al2o3、厚度为70nm、界面电荷密度设为3e10，源漏电极材料为金属铂，长度为0.2um，厚度为40nm。

10、可选的，在所述仿真结构中，在步骤s2中，获取p型和n型mos2场效应晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线。

11、可选的，在所述仿真结构中，在步骤s3中，建立二硫化钼的cmos反相器的结构，cmos反相器的长度为3.2um、宽度为1um，硅衬底厚度为200nm，栅氧化层材料为al2o3、厚度为70nm、界面电荷密度设为3e10，电极材料为金属铂，连接vdd和地的电极长度为0.2um，厚度为40nm、反相器输出端电极铂的长度为1.2um、厚度为40nm。

12、可选的，在所述仿真结构中，获取二硫化钼的cmos反相器的直流特性曲线和瞬态特性曲线，验证其基本逻辑“反”的功能。

13、在本发明提供的二硫化钼的cmos反相器特性的仿真结构中，使用本发明的仿真结构，可以实现基于二硫化钼的cmos反相器的仿真建模和特性分析，可有效用于定性分析反相器的各种影响因素例如栅介质种类、厚度对二硫化钼的cmos反相器的静态和动态特性参数例如增益、功耗等的影响。本发明不仅结构简单明了、原理易懂、无需复杂的建模过程，而且充分反映了mos2的特性反相器的工作机理和，可以弥补基于二维材料的器件和电路仿真的不足，解决因实际工艺复杂、成本高带来的分析mos2反相器的特性难度大的问题，在实际集成电路生产中具有指导性的意义和作用。

技术特征：

1.一种基于二硫化钼的cmos反相器的仿真结构及应用，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的仿真结构，其特征在于，所述模型的建立和仿真是在二维坐标系下，网格划分既保证mos2场效应晶体管仿真结果的准确性，又保证二硫化钼的cmos反相器仿真结果的收敛性。

3.如权利要求1所述的仿真结构，其特征在于，所述mos2以硅材料为基础，模型为cvtsrh和boltzmann模型最适宜、与实际相符，并修正cvt模型参数达到与实际相符和晶体管输出匹配的目的。

4.如权利要求3所述的仿真结构，其特征在于，所述p型和n型mos2材料在同一衬底上相距大于1um，降低不同类型的晶体管之间的相互影响，确保仿真收敛。

5.一种采用权利要求1所述的仿真建立步骤得到背栅二硫化钼的cmos反相器的仿真结构，器件长度达3um左右、宽度为1um。

6.一种采用权利要求1或5所述的二硫化钼的cmos反相器在实际集成电路生产中的意义和作用。

技术总结
本发明涉及半导体器件技术领域，具体设计了一种基于二硫化钼的CMOS反相器的仿真结构及应用。该反相器结构的建立包括合理划分网格结构、设置硅衬底层、定义n型和p型MoS2导电材料、栅介质层和定义p型、n型二硫化钼层，最后设置源漏电极，完成MoS2晶体管结构的建立，并在此基础上建立二硫化钼的CMOS反相器的结构。本发明利用Silvaco TCAD软件强大的器件和电路仿真功能定义MoS2反相器的结构，使用此结构可有效用于分析反相器的各种影响因素对二硫化钼的CMOS反相器的静态和动态特性的影响，该模型不仅结构简单明了、原理易懂、无需复杂的建模过程，而且充分反映了MoS2的特性反相器的工作机理，在实际集成电路生产中具有指导性的意义和作用。

技术研发人员：戴丽萍,王德印
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13