使用多项式拟合外推技术对HgCdTe和MoS2异质结构MOSFET进行数值模拟与建模

《Micro and Nanostructures》：Numerical Simulation and Modeling of HgCdTe and MoS2 Heterostructure MOSFET using Polynomial fitting Extrapolation Technique

　　

U. Malu|J. Charles Pravin|A. Ramesh Babu

印度卡拉斯林加姆研究与教育学院电子与通信工程系VLSI设计中心

摘要

— 本研究对HgCdTe/MoS₂异质结构MOSFET进行了TCAD仿真和建模，重点利用基于多项式拟合的外推方法确定了吸收系数、折射率和介电常数。通过减少数值离散化误差、平滑仿真数据，并实现超出限定仿真范围的准确预测，多项式拟合外推方法显著提高了提取参数的准确性。研究结果表明，HgCdTe/MoS₂异质结构具有优良的光学和介电特性。此外，Sentaurus TCAD仿真结合外推技术为先进纳米级电子和光电子器件的精确表征和优化提供了可靠有效的框架。

引言

在使用传统的基于硅的方法时，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的持续缩放已经遇到了基本的物理和材料限制。在纳米尺度下，器件性能受到短沟效应、更高的漏电流以及电静力控制能力下降的严重影响。为了满足下一代纳米电子和光电子应用的需求，人们正在积极研究新的材料系统和基于异质结构的器件架构[1]、[2]。

在印度卡拉斯林加姆研究与教育学院的电子与通信工程系，U. Malu和J. Charles Pravin在VLSI设计中心工作。A. Ramesh Babu来自印度哥印拜陀的Amrita Vishwa Vidyapeetham数学系。（通讯作者：J. Charles Pravin，电子邮件：[e-mail]）。

高载流子迁移率和可调带隙使得汞镉碲（HgCdTe）成为适用于光电子和红外应用的理想窄带隙半导体[3]。然而，由于其原子级薄的体结构和较大的带隙，二维过渡金属硫属化合物二硫化钼（MoS₂）具有良好的电静力控制能力、较低的短沟效应以及更高的可扩展性。通过将HgCdTe和MoS₂结合成异质结构MOSFET，可以实现改进的电学和光学性能[4]。

对于复杂半导体器件的分析和优化，技术计算机辅助设计（TCAD）仿真已成为必不可少的工具[5]。通过在实际工作条件下数值求解耦合的半导体方程，TCAD能够深入研究载流子传输、能带对齐和材料相互作用[6]。然而，离散化误差、有限的网格尺寸和受限的参数范围是TCAD仿真的固有局限性，这些因素可能会影响材料参数（如吸收系数、介电常数和折射率）的精确提取。

在半导体建模中，基于多项式拟合的外推方法越来越常被用来克服这些限制[7]。多项式拟合外推可以降低数值噪声，提高预测建模的准确性，并能够准确估计仿真数据范围之外的关键参数。

本研究利用基于多项式拟合外推技术的TCAD对HgCdTe/MoS₂异质结构MOSFET进行了数值仿真，以确定吸收系数、折射率和介电常数等关键参数。与早期仅关注单一材料或传统MOSFET结构的TCAD研究不同，所提出的方法提高了光学和介电参数提取的准确性，并能够在有限的仿真范围之外进行可靠预测，将参数估计范围从0.5–1.5 eV扩展到更宽的0.5–3 eV范围。这一改进突显了HgCdTe/MoS₂异质结构在先进纳米电子和光电子应用中的潜力。

章节摘录

器件结构

为了提高载流子传输和电静力控制能力，该器件采用了具有垂直堆叠异质结构通道的平面MOSFET架构[8]。如图1所示，MoS₂/HgCdTe异质结构中，作为通道区域的薄MoS₂层由于其原子级薄的结构、足够的带隙和优越的电静力栅极控制能力而成为主要的导电通道[9]、[10]。通过整合MoS₂和HgCdTe层形成了异质结构结。

计算细节

使用二维Sentaurus技术计算机辅助设计（TCAD）仿真框架来研究HgCdTe/MoS₂异质结构MOSFET。为了确定器件内部的电静力势和载流子分布，TCAD仿真自洽地求解了基本的半导体传输方程，特别是泊松方程和载流子连续性方程[11]。利用异质结构的仿真光学响应来计算光学吸收

结果与讨论

通过二维TCAD仿真评估了所提出的HgCdTe/MoS₂异质结构MOSFET的性能。研究结果重点关注了光学特性、电学行为以及多项式拟合外推技术的有效性。TCAD仿真证实了通道的强电静力控制

结论

为了研究HgCdTe/MoS₂异质结构MOSFET的电学和光学性能，本研究利用基于多项式拟合的外推技术对该器件进行了TCAD仿真和建模。TCAD仿真用于提取吸收系数、介电函数和折射率等重要参数，展示了改进的载流子传输、强栅极控制以及适合纳米级电子应用的宽带光学响应

CRediT作者贡献声明

A. Ramesh Babu：可视化、监督。U. Malu：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论。J. Charles Pravin：验证、监督、概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢卡拉斯林加姆研究与教育学院提供TCAD设施的使用权限。特别感谢VLSI研究实验室提供的宝贵资源，以及VLSI中心在支持TCAD实验室基础设施使用方面所做出的贡献，这对本研究具有重要意义。