TFET Saluran SiGe Berbentuk Sirip Baru dengan Kinerja yang Lebih Baik
Abstrak
Dalam makalah ini, TFET saluran SiGe berbentuk sirip tanpa doping (DF-TFET) diusulkan dan dipelajari. Untuk membentuk persimpangan tunneling garis tanpa doping efisiensi tinggi, saluran SiGe berbentuk sirip dan gerbang / sumber tumpang tindih diinduksi. Melalui metode ini, DF-TFET dengan arus on-state tinggi, rasio switching 12 kali lipat dan tidak ada efek ambipolar yang jelas dapat diperoleh. Tinggi κ material stack gate dielectric diinduksi untuk meningkatkan kebocoran off-state, karakteristik antarmuka dan keandalan DF-TFET. Selain itu, dengan menggunakan saluran dan struktur sirip tanpa doping, kesulitan proses doping dan pembentukan tumpang tindih gerbang asimetris dapat diselesaikan. Akibatnya, struktur DF-TFET dapat memiliki penerapan manufaktur yang baik dan sangat mengurangi jejak. Mekanisme fisik perangkat dan pengaruh parameter pada kinerja dipelajari dalam pekerjaan ini. Akhirnya, arus dalam keadaan (IAKTIF ) sebesar 58,8 μA/μm, ayunan subambang minimum 2,8 mV/des (SSmnt ), ayunan subambang rata-rata (SSrata-rata ) sebesar 18,2 mV/des dapat diperoleh. Dengan karakteristik kapasitansi yang ditingkatkan, frekuensi cutoff 5,04 GHz dan produk bandwidth gain 1,29 GHz dapat diperoleh. Dengan peningkatan kinerja dan ketahanan, DF-TFET dapat menjadi kandidat yang sangat menarik untuk aplikasi berdaya sangat rendah.
Pengantar
Dengan penurunan skala MOSFET, kecepatan switching, kinerja frekuensi tinggi, kepadatan, biaya, dan fungsionalitas sirkuit terpadu (IC) memenuhi peningkatan besar[1]. Tetapi dengan kemajuan penurunan tegangan yang berkelanjutan, konsumsi daya tinggi yang tidak dapat diterima menjadi masalah serius bagi IC modern [1, 2]. Manfaat dari mekanisme tunneling band-to-band, tunnel FET (TFET) dengan SS curam dan konsumsi daya rendah membawa solusi baru untuk masalah ini dan menarik banyak perhatian [3,4,5,6,7,8,9 ]. Tetapi aplikasi TFET berbasis silikon konvensional dibatasi oleh arus on-state yang sangat rendah (IAKTIF ), rasio switching yang rendah, efek ambipolar yang parah dan ayunan subthreshold rata-rata yang besar (SS) [1, 7]. Untuk meningkatkan kinerja TFET, aplikasi struktur baru dan material baru pada TFET telah diusulkan dalam beberapa tahun terakhir. Sebagai contoh, TFET dengan lapisan tunneling rate yang ditingkatkan diusulkan dalam beberapa tahun terakhir [5, 10, 11]. Dengan lapisan ini, panjang efektif jalur penerowongan berkurang dan menghasilkan peningkatan laju penerowongan yang jelas. Selain itu, TFET dengan struktur gerbang yang ditingkatkan dipelajari oleh banyak kelompok penelitian [12,13,14,15,16,17,18,19,20]. Konsep line tunneling diperkenalkan di L-TFET [17,18,19]. Akibatnya, SSrata-rata dari 42,8 mV/dekade dan IAKTIF dari 10
−6
A/μm dapat dicapai dengan L-TFET. Untuk lebih meningkatkan kinerja TFET, TG-TFET yang ditingkatkan dengan tumpang tindih berbentuk T dan sumber ganda dilaporkan [20, 21]. Akibatnya, sayaAKTIF TG-TFET mencapai 81 μA/μm. Untuk lebih meningkatkan kinerja perangkat, persyaratan tinggi pada profil doping persimpangan tunneling diperlukan. Insinyur pengecoran perlu membuat persimpangan mendadak yang sangat curam yang hanya memiliki ketebalan beberapa nanometer, dan ini sangat sulit dicapai. Untuk menghindari kesulitan ini, TFET tanpa doping (DL-TFET) pada film semikonduktor intrinsik tipis menggunakan konsep plasma muatan dilaporkan oleh kelompok penelitian [22, 23]. Di DL-TFET, kesulitan pembuatan dapat dikurangi secara signifikan dengan menghilangkan persimpangan mendadak yang sangat curam. Penurunan kinerja yang disebabkan oleh fluktuasi dopan acak dapat dihindari. Selain itu, fabrikasi DL-TFET tidak menuntut anggaran termal yang tinggi untuk membuat sumber dan saluran pembuangan, yang membuka kemungkinan realisasi TFET pada substrat lain seperti silikon kristal tunggal pada kaca. Hasilnya, SS DL-TFET telah meningkat pesat. Namun, karena rendahnya efisiensi persimpangan terowongan titik, arus DL-TFET tidak cukup tinggi, yang sulit untuk memenuhi persyaratan aplikasi sirkuit modern yang terus meningkat.
Dalam makalah ini, TFET saluran SiGe berbentuk sirip tanpa doping (DF-TFET) diusulkan dan dipelajari. Untuk meningkatkan kinerja dan ketahanan perangkat, sambungan terowongan saluran dan material SiGe diterapkan pada DF-TFET. Sementara itu, fungsi kerja logam gerbang dioptimalkan untuk lebih meningkatkan tingkat tunneling. Selain itu, saluran tanpa doping mengurangi kesulitan proses pembuatan sementara struktur sirip membuat pembuatan gerbang/pintu belakang asimetris dapat diterapkan. Akibatnya, arus dalam keadaan (IAKTIF ) sebesar 58,8μA/μm, arus bocor di luar keadaan (IMATI ) dekat 10
−11
A/μm, ayunan subambang rata-rata (SSrata-rata ) sebesar 18,2 mV/des dan ayunan subambang minimum (SSmnt ) sebesar 2,8 mV/des dapat dicapai dengan DF-TFET. Dengan kapasitansi gerbang yang relatif kecil (Cgg ) dan gerbang untuk mengalirkan kapasitansi (Cgd ), kinerja analog/RF yang baik dapat diperoleh. Akhirnya, frekuensi cutoff (fB ) mencapai 5,04 GHz dan gain bandwidth product (GBW) mencapai 1,29 GHz.
Struktur makalah ini adalah sebagai berikut:Bagian “Struktur Perangkat dan Metode Simulasi” menunjukkan metode simulasi TCAD dari pekerjaan ini. Struktur dan parameter DF-TFET diperkenalkan. Perbedaan dan keunggulan DF-TFET dibandingkan dengan DL-TFET dan TG-TFET diilustrasikan. Mekanisme, karakteristik dan kinerja analog/RF DF-TFET dibahas pada bagian “Hasil dan Pembahasan”. Perbandingan kinerja antara DF-TFET, DL-TFET dan TG-TFET dilakukan di bagian ini. Selain itu, pengaruh parameter perangkat pada kinerja dan parameter RF khas DF-TFET dipelajari di bagian ini. Untuk lebih memahami potensi DF-TFET dalam aplikasi berdaya sangat rendah, dilakukan perbandingan karakteristik listrik di antara TFET dan DF-TFET yang berbeda di bawah bias tegangan rendah.
Struktur Perangkat dan Metode Simulasi
Struktur DF-TFET yang diusulkan diilustrasikan pada Gambar 1a. Untuk meningkatkan kinerja perangkat, sambungan tunneling garis diterapkan pada saluran SiGe berbentuk sirip tanpa doping dengan konsep plasma muatan [24, 25]. Diketahui bahwa ketebalan dielektrik gerbang dapat mempengaruhi arus tunneling secara signifikan. Hal ini karena dalam hasil pendekatan WKB [26], seperti yang ditunjukkan pada Persamaan. (1), probabilitas tunneling tergantung pada panjang penyaringan yang efektif (λ ), massa pembawa efektif (m
*
), celah pita energi (Eg ) dan jendela energi penyaringan yang efektif (ΔΦ ).
Mengurangi ketebalan dielektrik gerbang atau menggunakan κ . yang tinggi dielektrik akan mengurangi λ dan tingkatkan Φ , yang akan menyebabkan probabilitas tunneling meningkat secara eksponensial. Jadi, menggunakan κ . tinggi dielektrik dan mengurangi ketebalan dielektrik dapat secara signifikan meningkatkan arus TFET dalam keadaan aktif. Tapi ketebalan dielektrik kecil dan masalah kualitas antarmuka κ . tinggi dielektrik akan menyebabkan masalah keandalan yang serius. Jadi, dielektrik gerbang tumpukan 0,5 nm Al2 O3 dan 2,0 nm HfO2 diatur untuk menjamin kualitas antarmuka yang baik [27,28,29], yang secara signifikan dapat mengurangi arus bocor dan meningkatkan keandalan dielektrik gerbang. Elektroda sumber terletak di bagian atas struktur sirip. Pada saat yang sama, itu juga di sebelah satu sisi sirip dan berfungsi sebagai "pintu belakang" untuk menerapkan bias nol. Dengan menggunakan elektroda gerbang dan sumber dengan fungsi kerja logam yang berbeda, sambungan tunneling garis dapat dibentuk dalam saluran SiGe berbentuk sirip tanpa doping dengan konsep plasma muatan. Arah band-to-band tunneling (BTBT) tegak lurus dengan permukaan saluran/gerbang. Ini dapat membantu meningkatkan IAKTIF dengan meningkatkan area persimpangan terowongan yang efektif.
Rasio peralihan tinggi (IAKTIF /AkuMATI ) dapat diperoleh karena arus on-state yang besar (IAKTIF ) dan arus off-state kecil (IMATI ) disediakan oleh persimpangan terowongan jalur. Selanjutnya, penerapan struktur sirip di DF-TFET dapat sangat mengurangi jejak dibandingkan dengan TFET tunneling garis planer [30, 31]. Gambar 1b menunjukkan aliran fabrikasi yang tersedia untuk membentuk struktur DF-TFET. Tabel 1 menunjukkan parameter proses utama DF-TFET. Akhirnya, tanpa kesulitan untuk membuat persimpangan p–n mendadak yang curam dan seragam, kinerja perangkat yang baik dan kekokohan dapat dicapai.
Untuk lebih memahami perbedaan dan keunggulan DF-TFET, DL-TFET dan TG-TFET, Gambar 2 menunjukkan struktur ketiga perangkat ini. Dengan line tunneling junction, L-TFET dan TG-TFET diharapkan memperoleh arus on-state yang tinggi. Tetapi hasil eksperimen menunjukkan bahwa kinerja L-TFET sebenarnya tidak setinggi yang diharapkan [18, 19]. Salah satu alasan terpenting adalah sulitnya membentuk persimpangan p-n mendadak yang curam dan seragam dengan karakteristik antarmuka yang sempurna. Berdasarkan struktur L-TFET, TG-TFET membuat peningkatan besar pada IAKTIF . Namun TG-TFET masih menghadapi kesulitan dalam membentuk sambungan p–n mendadak yang sempurna. Jadi, untuk mendapatkan kinerja yang baik yang diinginkan, harus diperoleh sambungan p-n yang curam dan seragam yang hanya memiliki beberapa nanometer, tetapi sangat sulit untuk diwujudkan dalam proses pembuatannya. Dengan menggunakan saluran tanpa doping, DL-TFET dapat menghindari masalah ini dan menghadirkan kualitas antarmuka yang lebih baik di dekat persimpangan terowongan. Namun, dibandingkan dengan TFET penerowongan jalur [16,17,18,19,20,21] dengan persimpangan p–n yang tiba-tiba, hasil simulasi menunjukkan bahwa IAKTIF DL-TFET relatif rendah [22, 23]. Untuk perbaikan lebih lanjut, DF-TFET diusulkan dan dipelajari dalam pekerjaan ini.
Struktur a DF-TFET, b DL-TFET, c TG-TFET
Simulasi DF-TFET dilakukan di alat Silvaco Atlas TCAD. Model BTBT non-lokal diperkenalkan dalam simulasi ini untuk memperhitungkan variasi spasial pita energi, yang dapat membantu meningkatkan akurasi proses tunneling BTBT. Model mobilitas Lombardi dianggap membuat mobilitas saluran akurat. Model penyempitan celah pita diperhitungkan agar sesuai dengan daerah kontak ohmik yang didoping berat, dan model rekombinasi Shockley–Read–Hall juga dipertimbangkan dalam makalah ini.
Hasil dan Diskusi
Mekanisme dan Perbandingan DF-TFET, DL-TFET dan TG-TFET
Gambar 3a menunjukkan perbandingan karakteristik transfer DF-TFET, DL-TFET, dan TG-TFET. Manfaat dari persimpangan saluran terowongan di saluran SiGe berbentuk sirip, DF-TFET mencapai arus on-state (IAKTIF ) sebesar 58,8 μA/μm dan mencapai rasio peralihan besar lebih dari 12 kali lipat di mana tidak ada efek ambipolar yang jelas terjadi. Selanjutnya, ayunan subthreshold minimum (SSmin ) sebesar 2,8 mV/des dan ayunan subambang rata-rata (SSrata-rata ) sebesar 18,2 mV/des diperoleh. Hasilnya, DF-TFET memiliki peningkatan yang nyata dalam IAKTIF dibandingkan dengan DL-TFET dan ayunan subthreshold dibandingkan dengan TG-TFET. AkuAKTIF DF-TFET lebih dari satu urutan besarnya lebih besar dari DL-TFET di VDS = VGS = 1 V. Gambar 3b menunjukkan kondisi pita energi DF-TFET dan menggambarkan pembentukan tunneling window pada saluran berbentuk sirip. Garis putus-putus merah pada sisipan Gbr. 3b menunjukkan posisi kurva pita energi diperoleh.
a Karakteristik transfer DF-TFET, DL-TFET dan TG-TFET. b Kondisi pita energi DF-TFET dalam kondisi kerja yang berbeda (inset menunjukkan posisi garis potong)
Distribusi kuantitas fisik penting dalam proses tunneling DF-TFET ditunjukkan pada Gambar 4, yang meliputi distribusi (a) potensial, (b) laju tunneling, (c) kerapatan arus total dan (d) laju rekombinasi dalam kondisi kerja di negara bagian. Pada Gambar. 4a, gradien potensial yang jelas tegak lurus dengan antarmuka gerbang/saluran dapat diamati. Dengan demikian, perbedaan potensial yang sangat besar dihasilkan dalam saluran berbentuk sirip dan ini akan memodulasi konsentrasi elektron dan lubang di kedua sisi saluran sirip. Pada saat yang sama, pembengkokan pita energi yang curam dapat terbentuk di saluran berbentuk sirip. Akibatnya, persimpangan terowongan garis yang sejajar dengan antarmuka gerbang/saluran dapat dibentuk. Gambar 4b menunjukkan tingkat e-tunneling di saluran struktur sirip. Nilai puncak laju e-tunneling terdistribusi secara merata di dekat antarmuka gerbang/saluran dan sejajar dengan permukaan. Hal ini membuktikan bahwa line tunneling junction sejajar dengan interface gerbang/saluran. Gambar 4c menunjukkan jalur saat ini di DF-TFET. Elektron pita valensi dari sisi gerbang/saluran masuk ke pita konduksi di dekat sisi gerbang/saluran. Di bawah pengaruh tegangan gerbang dan tegangan pembuangan, elektron bergerak di sepanjang saluran sirip ke elektroda pembuangan. Dengan cara ini, jalur arus tunneling terbentuk di DF-TFET. Gambar 4d menunjukkan distribusi tingkat rekombinasi di DF-TFET; ini dapat menggambarkan lokasi persimpangan terowongan dengan lebih jelas. Strip ungu di saluran sirip SiGe dapat mewakili lokasi persimpangan terowongan.
Distribusi a potensi, b e tingkat tunneling, c rapat arus dan d tingkat rekombinasi DF-TFET
Karakteristik DC dengan Parameter dan Performa Analog/RF yang Berbeda
Gambar 5a, b menunjukkan karakteristik input dan output DF-TFET di bawah bias yang berbeda. Peningkatan VDS memiliki sedikit efek pada karakteristik ayunan subthreshold, tapi IAKTIF akan memiliki pertumbuhan linier sementara VDS meningkat dari 0,2 menjadi 1,2 V (pada VGS = 1,0 V). Gambar 5c menunjukkan frekuensi cutoff (fB ) dan mendapatkan produk bandwidth (GBW) dihitung dengan Persamaan. (2) dan (3). Hasil menunjukkan bahwa frekuensi cutoff 5,04 GHz dan produk bandwidth gain 1,29 GHz dapat diperoleh.
a Masukan, b keluaran dan c karakteristik frekuensi radio DF-TFET
Gambar 6a menunjukkan pengaruh fungsi kerja gerbang (φGerbang ) dan menguras fungsi kerja (φTiriskan ) pada karakteristik transfer DF-TFET. Dengan meningkatnya fungsi kerja, kurva karakteristik transfer bergeser ke arah positif. Karena fungsi kerja bervariasi dari 3,7 hingga 4,2 eV, Vth meningkat secara linier dari 0 menjadi 0,5 V sedangkan IAKTIF menurun secara linier dari 93,4 menjadi 18,6 μA/μm. Hal ini memungkinkan untuk menyesuaikan Vth untuk diterapkan pada persyaratan aplikasi yang berbeda. Gambar 6b menunjukkan pengaruh rasio komposisi X dari Si1−X GeX . Peningkatan komposisi germanium menyebabkan penurunan celah pita energi dan peningkatan jendela penerowongan, seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 6b. Akhirnya, menghasilkan IAKTIF kurva karakteristik peningkatan dan transfer diterjemahkan ke arah negatif. Namun, ketika X> 0,7, baik kurva karakteristik transfer dan IAKTIF memiliki sedikit perubahan dengan meningkatnya X . Ini karena struktur pita energi saluran menjadi tidak sensitif terhadap X ketika X> 0,7, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b inset. Gambar 6c, d menunjukkan pengaruh panjang gerbang (Wg ) dan ketebalan saluran (Hc ) pada karakteristik transfer. Sisipan Gbr. 6c menunjukkan dimensi saluran perangkat di bawah W . yang berbeda g . Tidak sulit untuk mengamati dari Gambar 6d bahwa DF-TFET akan menderita IAKTIF berkurang saat Hc menjadi terlalu kecil dan terlalu besar. Jadi, H . yang tepat c akan menguntungkan kinerja perangkat.
Mentransfer karakteristik dengan a . yang berbeda fungsi kerja gerbang (φGerbang ) dan menguras fungsi kerja (φTiriskan ), b Rasio komposisi SiGe, c panjang gerbang (Lg ) dan d ketebalan saluran (Hc )
Untuk memahami potensi DF-TFET dalam aplikasi berdaya sangat rendah, Tabel 2 menunjukkan perbandingan kinerja berbagai TFET dengan DF-TFET. Dibandingkan dengan TFET dengan sambungan tunneling p-n tradisional yang didoping berat [6, 20, 32,33,34,35], DF-TFET memiliki keunggulan yang jelas pada SS dan rasio switching. Hal ini dikarenakan karakteristik DF-TFET dengan menggunakan doping elektrostatis. Dibandingkan dengan TFET tanpa doping lainnya [22, 23, 36, 37], DF-TFET memiliki keunggulan yang jelas pada ION . Ini karena tingkat tunneling yang ditingkatkan dengan menggunakan persimpangan terowongan garis dan material SiGe. Dengan menggabungkan keunggulan p–n tunneling junction dan tunneling junction tanpa doping, DF-TFET dapat memberikan arus operasi yang tinggi dan konsumsi daya statis yang rendah dalam aplikasi berdaya sangat rendah.
Kesimpulan
Dalam karya ini, DF-TFET baru diusulkan dan karakteristik listrik dianalisis dengan metode simulasi. Karakteristik struktur, mekanisme fisik, kinerja dengan parameter yang berbeda dan kinerja analog/RF dari DF-TFET dibahas dan dipelajari. Manfaat dari saluran struktur sirip tanpa doping, dielektrik gerbang tumpukan, bahan saluran SiGe dan persimpangan terowongan saluran efisiensi tinggi, kinerja yang baik dalam karakteristik switching dan karakteristik analog/RF dapat diperoleh. Selain itu, dengan menghindari pembentukan sambungan p-n yang tiba-tiba dalam proses pembuatan, doping seragam dengan konsistensi tinggi dan ketahanan tinggi pada fluktuasi proses dapat dicapai. Hasil simulasi menunjukkan bahwa, IAKTIF sebesar 58,8 μA/μm, rasio peralihan 12 kali lipat, tidak ada efek ambipolar yang jelas, SSmin dari 2,8 mV/des dan fB 5,04 GHz dapat dicapai dengan DF-TFET. Dengan arus operasi yang besar, rasio switching yang tinggi, SS yang curam, keandalan yang baik, proses fabrikasi yang stabil, dan kemampuan manufaktur yang baik, ini dapat diharapkan sebagai salah satu kandidat yang menjanjikan untuk IC berdaya rendah dan aplikasi sensor sensitif di masa depan.
Ketersediaan data dan materi
Tidak berlaku (Manuskrip ini adalah studi teoritis murni tentang kinerja analog/RF TFET. Data simulasi telah diberikan dalam naskah ini, dan tidak dijelaskan di sini).
