Tranzito trường xuyên hầm (tunnel field-effect transistor - TFET) đầu tiên được đề xuất về cấu trúc và thực nghiệm bởi Baba ở tập đoàn NEC (Nhật Bản) vào năm 1992 với tên gọi ban đầu là “tranzito xuyên hầm bề mặt”. Do kích thước vùng xuyên hầm nhỏ hơn 10 nm ở bề mặt chất bán dẫn, người ta hy vọng TFET sẽ hoạt động tốt ở kích thước đặc trưng (feature size) nhỏ hơn 100 nm - đây là kích thước được tin là nhỏ nhất của công nghệ MOSFET (metal-oxide-semiconductor fieldeffect transistor) truyền thống ở thời điểm đó. Tuy nhiên trong suốt hơn một thập kỷ sau, TFET ít được quan tâm nghiên cứu vì sự phát triển bùng nổ của công nghệ CMOS vào cuối những năm 90 đã cho phép thu nhỏ kích thước MOSFET xuống dưới 100 nm. Chỉ khi MOSFET truyền thống đạt tới giới hạn dưới của hiệu điện thế ngưỡng (subthreshold voltage), cũng tức là năng lượng tiêu thụ, thì TFET mới được chú ý nhiều do độ dốc dưới ngưỡng (subthreshold swing) của nó có thể vượt qua giới hạn vật lý 60 mV/decade của MOSFET truyền thống. Do đó, TFET được coi là loại linh kiện đầy tiềm năng cho các ứng dụng vi mạch điện tử đòi hỏi tiêu thụ ít năng lượng. 

Không giống như MOSFET truyền thống hoạt động dựa trên cơ chế khuếch tán nhiệt (thermal diffusion), TFET hoạt động dựa trên cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm (band-to-band tunneling - BTBT). Do đó, TFET có thể vượt qua giới hạn Boltzmann của độ dốc dưới ngưỡng như đã được xác nhận bởi thực nghiệm. Kể từ khi xuyên hầm qua vùng cấm (BTBT) được Zener khám phá lý thuyết năm 1934 và Esaki quan sát bằng thực nghiệm năm 1958, người ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu để làm sáng tỏ cơ chế vật lý của BTBT trong điện trường đồng nhất (uniform electric field) và không đồng nhất (non-uniform electric field). Tuy nhiên, cơ chế vật lý và mô hình lý thuyết của BTBT trong các linh kiện TFET ba cực mới chỉ được khảo sát trong những năm gần đây. Dựa trên phương pháp k•p, Shin ở viện KAIST (Hàn Quốc) đã xây dựng mô phỏng lượng tử đầy đủ, tự hợp và ba chiều (three-dimensional, selfconsistent full-quantum transport simulation) cho dòng xuyên hầm BTBT trong TFET cấu trúc dây nanô InAs. Sử dụng phương pháp liên kết chặt (tightbinding method) tính đến sự cặp spin-quỹ đạo (spin-orbit coupling), Luisier và Klimeck ở Đại học Purdue cũng phát triển một mẫu lượng tử đầy đủ để mô phỏng dòng BTBT trong các TFET có cấu trúc và vật liệu khác nhau. Nếu như mô phỏng của Shin có ưu thế với các kích thước linh kiện lớn và tốc độ chạy máy nhanh thì mô phỏng của Luisier và Klimeck lại chính xác hơn do đặc tính khảo sát nguyên tử (atomistic treatment).

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Nghiên cứu vai trò và đóng góp của trường điện định xứ và phi định xứ trong quá trình xuyên hầm nhằm hiểu rõ đặc tính điện khác nhau của TFET loại n và loại p sử dụng bán dẫn vùng cấm nhỏ.

Chúng tôi đã đánh giá tính phù hợp của các mẫu xuyên hầm, bao gồm mẫu định xứ, phi định xứ và mẫu hỗn hợp dựa trên việc phân tích nguồn gốc vật lý và đóng góp của các số hạng trường điện định xứ và phi định xứ trong mô hình Kane. Các phân tích định tính và định lượng chỉ ra rằng mẫu định xứ không thích hợp để tính dòng xuyên hầm trong bất cứ trường hợp nào của độ rộng vùng cấm, mẫu phi định xứ thì chỉ tính toán tốt cho trường hợp độ rộng vùng cấm lớn (>0.5 eV), còn mẫu hỗn hợp là thích hợp nhất cho tính toán dòng xuyên hầm với mọi giá trị của độ rộng vùng cấm chất bán dẫn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng khi giảm độ rộng vùng cấm thì độ lệch của mẫu định xứ so với mẫu hỗn hợp sẽ giảm (những vẫn còn rất lớn), còn độ lệch của mẫu phi định xứ so với mẫu hỗn hợp tăng lên. Nguyên nhân là do vai trò và đóng góp của trường điện định xứ tăng khi giảm độ rộng vùng cấm. Kết quả này rất quan trọng và có ý nghĩa vì hiện nay các nhà nghiên cứu TFET vẫn đang sử dụng phổ biến mẫu định xứ để tính toán dòng xuyên hầm mà không lưu ý tới độ rộng vùng cấm. Với nghiên cứu này, chúng tôi đã đưa ra được một lưu ý quan trọng rằng để tính xòng xuyên hầm, đặc biệt với các bán dẫn có vùng cấm nhỏ, thì cần phải sử dụng mẫu hỗn hợp chứ không phải mẫu phi định xứ đang được áp dụng khá rộng rãi như hiện nay. Trên cơ sở các kết quả trên, chúng tôi đã sử dụng mẫu hỗn hợp để tính toán dòng xuyên hầm trong các chuyển tiếp p/n một vế, bao gồm p/n++ và n/p++, và TFET xuyên hầm đường loại n và p. Kết quả tính dòng xuyên hầm cho thấy nếu giả sử các tham số cấu trúc giữa hai loại chuyển tiếp p/n, hoặc giữa hai loại TFET n và p là hoàn toàn đối xứng nhau thì đường đặc tính dòng thế của cả hai trường hợp là đối xứng nhau qua trục V=0. Điều này một lần nữa khẳng định tính đúng đắn của mẫu hỗn hợp. Lần đầu tiên chúng tôi đã chỉ ra được đặc tính dòng-thế của hai TFET loại n và p là đối xứng. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu và thiết kế TFET cũng như thiết kế các vi mạch dựa trên linh kiện TFET. 

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 15263/2018) tại Cục Thông tin KH&CNQG.

Đ.T.V (NASATI)