PMOSFET Ge mobilitas tinggi dengan pasif Si amorf:dampak orientasi permukaan

Hasil dan diskusi

Gambar 3a memplot I . yang diukur _DS -V _GS dan Aku _G -V _GS kurva dari pMOSFET Ge tipikal pada permukaan berorientasi (001)-, (011)-, dan (111) dengan 0,9 nm t _Si , yang menunjukkan karakteristik transfer yang sangat baik. Semua transistor memiliki panjang gerbang L _G dari 3 μm dan lebar gerbang W dari 100 μm. Arah saluran adalah [110] untuk semua orientasi. Aku _DS -V _DS kurva perangkat yang diukur pada overdrive gerbang yang berbeda V _GS -V _TH ditunjukkan pada Gambar. 3b. Di sini, tegangan ambang V _TH didefinisikan sebagai V _GS di Aku _DS dari 10 ⁻⁷ A/μm. Diamati bahwa Ge(001) pMOSFET mencapai arus penggerak yang lebih tinggi I _AKTIF dibandingkan dengan transistor pada (011) dan (111) permukaan pada V . tetap _GS -V _TH . Nanti, kami akan menunjukkan bahwa ini dikaitkan dengan fakta bahwa pMOSFET Ge(001) memiliki mobilitas lubang efektif yang lebih tinggi μ _eff dibandingkan dengan perangkat pada dua orientasi permukaan lainnya. Kami melakukan perbandingan kinerja listrik yang komprehensif untuk perangkat dengan t . tetap _Si dari 0,9 nm, termasuk I _AKTIF , lantai bocor I _kebocoran , ayunan subthreshold (SS), dan V _TH karakteristik. Aku _kebocoran didefinisikan sebagai minimum I _DS di V _DS dari 0,05 V Gambar 4a menyajikan plot statistik dari I _AKTIF untuk Ge pMOSFET pada berbagai orientasi, dan I _AKTIF didefinisikan sebagai Aku _DS di V _DS dari 0,5 V dan V _GS -V _TH 0.8 V. Semua transistor dalam plot ini memiliki L _G dari 3 μm dan W dari 100 μm. (001) perangkat berorientasi menunjukkan peningkatan rata-rata I _AKTIF dibandingkan dengan orientasi (011) dan (111), yang dikaitkan dengan μ . yang lebih tinggi _eff . Gambar 4b membandingkan I _kebocoran untuk perangkat, menunjukkan bahwa transistor Ge(001) memiliki I . terendah _kebocoran dari mereka, dan Ge(011) pMOSFET memiliki I . yang lebih rendah _kebocoran dari (111) perangkat berorientasi. Perlu dicatat bahwa I _kebocoran ditentukan oleh arus balik p ⁺ /n junction di daerah drainase, yang dipengaruhi oleh konsentrasi doping tipe-n latar belakang di substrat Ge dan aktivasi p ⁺ yang ditanamkan dopan. Konsentrasi doping tipe-n dalam wafer dengan berbagai orientasi tidak persis sama. Orientasi permukaan mempengaruhi laju aktivasi dopan dan kualitas rekristalisasi daerah S/D. Selanjutnya, meskipun I _G lebih rendah dari I _DS sebelum transistor menyala, itu akan mempengaruhi I _kebocoran . Demikian pula, pMOSFET Ge berorientasi (001) menunjukkan karakteristik SS yang ditingkatkan dibandingkan dengan dua orientasi lainnya, yang disebabkan oleh transistor pada permukaan (001) memiliki kerapatan celah tengah yang lebih rendah dari status antarmuka D _itu dibandingkan dengan perangkat lainnya. Gambar 4d menunjukkan bahwa perangkat pada orientasi yang berbeda memiliki V . yang berbeda _TH . Berdasarkan hasil pada Gambar 4, disimpulkan bahwa, dengan t . tetap _Si dari 0,9 nm, (001) Ge pMOSFET berorientasi memperoleh karakteristik listrik terbaik.

a Mengukur I _DS -V _GS dan Aku _G -V _GS kurva pMOSFET Ge berorientasi (001)-, (011)-, dan (111) dengan 0,9 nm t _Si menunjukkan karakteristik transfer yang sangat baik. b Aku _DS -V _DS kurva diukur pada V . yang berbeda _GS -V _TH untuk perangkat

Perbandingan a Aku _AKTIF , b Aku _kebocoran , c SS, dan d V _TH untuk (001)-, (011)-, dan (111)-berorientasi pMOSFET Ge pMOSFET dengan t _Si dari 0,9 nm

Ketebalan Si/SiO₂ IL dalam transistor dengan 0,9 nm t _Si pada orientasi permukaan yang berbeda dipelajari dengan menggunakan kapasitansi inversi C _inv versus V _GS pengukuran, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Pengukuran sapuan maju dan mundur menunjukkan histeresis yang sangat kecil pada perangkat. Transistor menunjukkan magnitudo yang sama C _inv , ~ 1.56 μF/cm ² , sesuai dengan ketebalan efektif kapasitif (CET) 2,2 nm. Gambar 5b menunjukkan hasil statistik dari C . jenuh _inv untuk perangkat, yang menunjukkan perbedaan yang sangat kecil dalam C _inv dalam transistor pada orientasi permukaan yang berbeda. Ini menunjukkan bahwa laju pasivasi Si amorf oleh sputtering magnetron tidak tergantung pada orientasi permukaan. Aturan pergeseran kiri-kanan C _inv -V _GS kurva sangat konsisten dengan V _TH untuk perangkat pada Gambar. 4d, yang mungkin disebabkan oleh konsentrasi doping yang sedikit berbeda dalam substrat orientasi yang berbeda.

a Perbandingan inversi C _inv -V _GS kurva di antara Ge pMOSFET dengan 0,9 nm t _Si pada orientasi yang berbeda. Sapuan maju dan mundur keduanya ditampilkan. b Plot statistik untuk C . jenuh _inv perangkat yang menunjukkan perbedaan yang dapat diabaikan dalam C _inv dalam rezim inversi

Gambar 6 membandingkan karakteristik mobilitas transistor dengan 0.9 nm t _Si pada berbagai orientasi permukaan. μ _eff diekstraksi menggunakan metode berbasis lereng resistensi total [14]. Ge(001) pMOSFET menunjukkan mobilitas saluran yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat pada orientasi (011) dan (111). Transistor pada (001) substrat mencapai puncaknya μ _eff dari 278 cm ² /V·s pada kepadatan muatan inversi Q _inv dari ~ 3.5 × 10 ¹² cm ⁻² , yaitu 2,97 kali lebih tinggi dari mobilitas universal Si. Kekasaran permukaan pada antarmuka Si/Ge dan kepadatan status antarmuka (D _itu ) dapat mempengaruhi μ _eff perangkat pada kepadatan pembawa inversi tinggi. Tidak mungkin bahwa wafer Ge yang dibeli secara komersial dengan berbagai orientasi permukaan memiliki perbedaan yang jelas dalam kekasaran permukaan. Oleh karena itu, diperkirakan bahwa peningkatan mobilitas pada perangkat berorientasi (001) terutama disebabkan oleh berkurangnya hamburan pembawa yang disumbangkan oleh status antarmuka. Dalam pekerjaan ini, kami mengevaluasi celah tengah D _itu perangkat, dan dengan t . tetap _Si dari 0,9 nm, pMOSFET Ge berorientasi (001) memang memiliki celah tengah yang lebih rendah D _itu dibandingkan dengan orientasi lainnya.

Plot μ _eff versus Q _inv untuk Ge pMOSFET dengan 0,9 nm t _Si pada (001)-, (011)-, dan (111)-berorientasi substrat. Ge(001) pMOSFET mencapai peningkatan 2,97 kali dalam μ _eff di Q _inv dari 3,5 × 10 ¹² cm ⁻² dibandingkan dengan mobilitas universal Si. μ _eff diekstraksi menggunakan metode berbasis kemiringan resistensi total [17]

Dampak dari t _Si pada kinerja listrik Ge pMOSFET juga diselidiki. Gambar 7a, b menyajikan pengukuran I _DS -V _GS dan Aku _DS -V _DS kurva, masing-masing, dari (111) berorientasi Ge pMOSFET dengan t _Si 0,5, 0,7, dan 0,9 nm pada V _DS 0,05 dan 0,5 V. Transistor memiliki L _G dari 1,5 μm. Diamati bahwa Ge pMOSFET dengan 0,9 nm t _Si menunjukkan karakteristik transfer yang lebih baik dibandingkan dengan perangkat dengan t . yang lebih tipis _Si , tapi Aku _AKTIF perangkat berkurang dengan meningkatnya t _Si . Di V _DS dari 1.5 V dan V _GS -V _TH dari 0.8 V, Ge(111) pMOSFET dengan 0,5 nm t _Si menunjukkan peningkatan 32% dalam I _AKTIF dibandingkan dengan perangkat dengan 0,9 nm t _Si . Gambar 8 memplot hasil statistik I _AKTIF , Aku _kebocoran , SS, dan V _TH dari Ge pMOSFET pada (111)-orientasi dengan t . yang berbeda _Si . Dari Gambar 8a, kita melihat bahwa transistor dengan 0,5 nm t _Si mencapai peningkatan I _AKTIF dibandingkan dengan perangkat dengan t thicker yang lebih tebal _Si , yang disebabkan oleh transistor dengan 0,5 nm t _Si yang memiliki CET lebih kecil, mengarah ke C . yang lebih tinggi _inv . Terlihat bahwa Saya _kebocoran menurun dengan meningkatnya t _Si (Gbr. 8b), dan transistor dengan 0,5 nm t _Si memiliki karakteristik SS yang lebih rendah daripada perangkat dengan lapisan pasif Si amorf 0,7 dan 0,9 nm (Gbr. 8c). Ini mungkin karena transistor dengan 0,5 nm t _Si memiliki midgap yang lebih tinggi D _itu . Hubungan antara SS dan midgap D _itu Ge pMOSFET dapat dinyatakan dengan SS = ln(10) ⋅ (kT /q) ⋅ [1 + (C _itu + C _d )/C _sapi ], di mana C _sapi , C _d , dan C _itu adalah kapasitansi oksida, kapasitansi lapisan penipisan, dan kapasitansi dari perangkap antarmuka, masing-masing. C _itu dapat dihitung dengan q × D _itu , adalah D _itu adalah kepadatan perangkap antarmuka. Meskipun transistor dengan 0,5 nm t _Si memiliki C . yang lebih besar _sapi dibandingkan dengan dua perangkat lainnya, celah tengahnya lebih tinggi D _itu dapat menyebabkan SS inferior ke perangkat dengan t . yang lebih tebal _Si . Pasif permukaan juga akan mempengaruhi I _kebocoran dari saluran ke sumber. Dengan menyapu V _GS dari posisi ke negatif, saluran berpindah dari mode akumulasi ke mode inversi. Namun, jika D _itu tinggi, beberapa titik di permukaan saluran dijepit oleh perangkap antarmuka, dan jalur kebocoran dapat dibentuk, meningkatkan I _kebocoran dari saluran ke sumber. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8d, pMOSFET Ge (111) menunjukkan pergeseran V _TH ke negatif V _GS arah dengan meningkatnya t _Si , yang dikaitkan dengan peningkatan CET. Selain itu, kepadatan jebakan di bagian celah pita bagian bawah tampaknya meningkat untuk t . yang lebih tipis _Si , yang mungkin mengarah pada pergeseran V _TH [2].

a Aku _DS -V _GS dan Aku _G -V _GS dan b Aku _DS -V _DS kurva Ge (111) pMOSFET dengan berbagai t _Si . Transistor dengan 0,5 nm t _Si menunjukkan peningkatan 32% dalam I _AKTIF dibandingkan dengan perangkat dengan 0,9 nm t _Si di V _DS dari 1.5 V dan V _GS -V _TH dari 0.8 V

Perbandingan a Aku _AKTIF , b Aku _kebocoran , c SS, dan d V _TH untuk pMOSFET Ge berorientasi (111) dengan 0,5, 0,7, dan 0,9 nm t _Si menunjukkan bahwa transistor dengan 0,5 nm t _Si memiliki yang lebih baik Aku _AKTIF , tapi lebih buruk SS dan I _kebocoran karakteristik dibandingkan dengan perangkat dengan t yang lebih tebal _Si

Gambar 9a menunjukkan C _inv sebagai fungsi dari V _GS kurva untuk Ge pMOSFET pada permukaan berorientasi (111) dengan t _Si 0,5, 0,7, dan 0,9 nm diukur pada frekuensi 300 kHz. Nilai CET di daerah inversi diekstraksi menjadi 1,8, 1,9, dan 2,2 nm untuk perangkat dengan 0,5, 0,7, dan 0,9 nm t _si , masing-masing. μ _eff sebagai fungsi dari Q _inv karakteristik perangkat diekstraksi dan ditunjukkan pada Gambar. 9b. Ge pMOSFET berorientasi (111) dengan 0,7 nm t _si mencapai mobilitas puncak tertinggi 229 cm ² /V s, yaitu 2,27 kali lebih tinggi dibandingkan dengan mobilitas universal Si. Perlu dicatat bahwa perangkat dengan 0,5 nm t _Si menunjukkan peningkatan signifikan μ _eff di atas transistor dengan t . yang lebih tebal _Si tinggi Q _inv (mis. 10 ¹³ cm ⁻² ). Ini juga mengarah ke I . yang lebih tinggi _AKTIF tinggi V _GS -V _TH di perangkat dengan 0,5 nm t _Si dibandingkan dengan perangkat dengan 0,7 dan 0,9 nm t _Si . μ _eff tinggi Q _inv berkurang sebagai t _Si meningkat dari 0,5 nm menjadi 0,7~0,9 nm, yang dikaitkan dengan fakta bahwa kekasaran permukaan yang lebih besar menyebabkan hamburan kekasaran permukaan yang lebih kuat dari pembawa. Selama pasifasi permukaan Ge menggunakan sputtering magnetron pada suhu kamar, difusi atom permukaan sangat ditekan. Jadi dengan meningkatnya t _Si , kekasaran permukaan lebih besar, yang dapat diamati dari gambar HRTEM pada Gambar. 2.

a C _inv -V _G karakteristik diukur pada 300 kHz untuk (111) perangkat berorientasi dengan 0,5, 0,7, dan 0,9 nm t _Si . b μ _eff sebagai fungsi dari Q _inv untuk pMOSFET Ge [17]

Pada Gambar 10, kami membandingkan μ _eff dari Ge pMOSFET dalam pekerjaan ini dengan transistor Ge yang dilaporkan santai dengan Si oleh penguapan E-beam, SiH₄ , Si₂ H_6, dan Si₃ H₈ pasif. Dibandingkan dengan Si amorf dengan penguapan E-beam di Ref. [15], Ge pMOSFET dalam karya ini menunjukkan peningkatan signifikan μ _eff . Terlihat bahwa, pada CET serupa, pMOSFET Ge yang menggunakan pasivasi Si amorf oleh magnetron sputtering memiliki μ yang lebih rendah _eff dibandingkan dengan perangkat dengan Si₂ H₆ pasif. Proses pasivasi menggunakan Si amorf perlu lebih dioptimalkan untuk meningkatkan mobilitas pembawa.

a μ _eff untuk pMOSFET Ge dalam karya ini vs. hasil yang dipublikasikan untuk pMOSFET Ge yang santai. b , c Pembandingan μ _eff diekstraksi di Q _inv = 5 × 10 ¹² dan 1 × 10 ¹³ cm ⁻² , masing-masing, dari Ge pMOSFET dengan nilai CET yang berbeda [18, 19]

Dapatkan pMOSFET dengan t . yang berbeda _Si pada (001) berorientasi permukaan juga dicirikan. Gambar 11a, b menggambarkan pengukuran I _DS -V _GS dan Aku _DS -V _DS kurva, masing-masing, dari sepasang Ge(001) pMOSFET dengan 0,5 dan 0,9 nm t _Si . Mirip dengan perangkat berorientasi (111), Ge(001) pMOSFET dengan 0,5 nm t _Si memperoleh peningkatan dalam I _AKTIF tapi degradasi di I _kebocoran dibandingkan dengan transistor dengan 0.9 nm t _Si .

a Mengukur I _DS -V _GS dan Aku _G -V _GS kurva pMOSFET Ge berorientasi (001) dengan 0,5 dan 0,9 nm t _Si . b Aku _DS -V _GS kurva perangkat

Kesenjangan tengah D _itu karakteristik Ge pMOSFET dipelajari dengan metode di [16], dan nilai D _itu dihitung dengan D _itu = [SSlog(e)/(kT /q ) − 1]C _G /q , [16] di mana q adalah muatan elektron, k adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu mutlak, dan C _G adalah kapasitansi gerbang yang diukur per satuan luas. Gambar 12 menunjukkan D _itu sebagai fungsi dari ketebalan Si amorf dengan berbagai orientasi permukaan Ge. Untuk permukaan berorientasi (111), perangkat dengan 0,7 nm t _si memiliki D . terendah _itu nilai. Dengan 0,9 nm t _Si , (001) perangkat berorientasi memiliki D . yang lebih rendah _itu dibandingkan dengan transistor pada orientasi lain.

A _itu versus ketebalan Si amorf dengan berbagai orientasi permukaan Ge

Akhirnya, kami membandingkan karakteristik kelistrikan utama Ge pMOSFET pada orientasi yang berbeda pada Tabel 1. Dengan t tetap _Si , Ge(001) pMOSFET memiliki kinerja listrik yang lebih baik dibandingkan dengan dua orientasi lainnya. Arus penggerak dapat ditingkatkan dengan mengurangi t _Si dari 0,9 nm ke 0,5 nm, yang disebabkan oleh semakin tipisnya t _Si memberikan CET berkurang secara signifikan tanpa menyebabkan degradasi di μ _eff .