TFET Fin de SiGe Sem Dopagem de Alto Desempenho: Corrente Ligada Aumentada e Razão de Comutação de 12 Ordens

Resumo

Neste artigo, um TFET de canal SiGe tipo fin sem dopagem (DF-TFET) é proposto e estudado. Para formar uma junção de tunelamento em linha de alta eficiência sem dopagem, um canal SiGe tipo fin e sobreposição gate/fonte são induzidos. Através destes métodos, o DF-TFET com alta corrente de estado ligado, razão de comutação de 12 ordens de magnitude e nenhum efeito ambipolar óbvio pode ser obtido. Material de alta κ em empilhamento de dielétrico de gate é induzido para melhorar vazamento de estado desligado, características de interface e confiabilidade do DF-TFET. Além disso, usando o canal sem dopagem e estrutura fin, as dificuldades do processo de dopagem e formação de sobreposição de gate assimétrica podem ser resolvidas. Como resultado, a estrutura do DF-TFET pode possuir boa aplicabilidade de fabricação e reduzir notavelmente a área de ocupação. O mecanismo físico do dispositivo e o efeito de parâmetros no desempenho são estudados neste trabalho. Finalmente, corrente de estado ligado (I_ON) de 58,8 μA/μm, swing sublimiar mínimo de 2,8 mV/dec (SS_min), swing sublimiar médio (SS_avg) de 18,2 mV/dec podem ser obtidos. Com características de capacitância melhoradas, frequência de corte de 5,04 GHz e produto ganho-largura de banda de 1,29 GHz podem ser obtidos. Com desempenho e robustez melhorados, DF-TFET pode ser um candidato muito atraente para aplicações de ultra-baixo consumo.

Introdução

Com a redução de escala de MOSFETs, a velocidade de comutação, desempenho de alta frequência, densidade, custo e funcionalidade de circuitos integrados (CIs) encontram uma grande melhoria. Mas com o progresso contínuo da redução de escala de tensão, o consumo de energia inaceitavelmente alto torna-se um problema sério para CIs modernos. Beneficiando-se do mecanismo de tunelamento banda-a-banda, TFET (transistor de efeito de tunelamento) com SS íngreme e baixo consumo de energia traz uma nova solução para este problema e atraiu muita atenção. Mas as aplicações de TFETs convencionais baseados em silício são limitadas pela corrente de estado ligado (I_ON) consideravelmente baixa, baixa razão de comutação, efeito ambipolar severo e grande swing sublimiar médio (SS). Para melhorar o desempenho de TFETs, aplicações de novas estruturas e novos materiais em TFETs têm sido propostas nos últimos anos. Por exemplo, TFETs com camada de taxa de tunelamento aprimorada são propostos nos últimos anos. Com esta camada, o comprimento efetivo do caminho de tunelamento é reduzido e resulta em uma óbvia melhoria na taxa de tunelamento. Além disso, TFETs com estrutura de gate melhorada são estudados por muitos grupos de pesquisa. O conceito de tunelamento em linha é introduzido no L-TFET. Como resultado, SS_avg de 42,8 mV/década e I_ON de 10⁻⁶A/μm podem ser alcançados por L-TFET. Para further melhorar o desempenho do dispositivo, um TG-TFET melhorado com sobreposição em T e fonte dupla é relatado. Como resultado, o I_ON do TG-TFET alcança 81 μA/μm. Para further melhorar o desempenho do dispositivo, alta exigência no perfil de dopagem da junção de tunelamento é requerida. Engenheiros de fundição precisam criar uma junção abrupta ultra-íngreme que tem apenas alguns nanômetros de espessura, e isto é muito difícil de alcançar. Para evitar esta dificuldade, o TFET sem dopagem (DL-TFET) em filme semicondutor intrínseco fino usando conceito de plasma de carga é relatado por grupos de pesquisa. No DL-TFET, a dificuldade de fabricação pode ser significativamente reduzida removendo a junção abrupta ultra-íngreme. A degradação de desempenho induzida por flutuações aleatórias de dopantes pode ser evitada. Além disso, a fabricação do DL-TFET não demanda altos orçamentos térmicos para criar a fonte e dreno, o que abre a possibilidade de realizar TFETs em outros substratos como silício monocristalino em vidro. Como resultado, o SS do DL-TFET foi grandemente melhorado. No entanto, devido à baixa eficiência de junção de tunelamento pontual, a corrente do DL-TFET não é alta o suficiente, o que é difícil de atender aos requisitos sempre crescentes de aplicações de circuitos modernos.

Neste artigo, um novo TFET de canal SiGe tipo fin sem dopagem (DF-TFET) é proposto e estudado. Para melhorar desempenho e robustez do dispositivo, junção de tunelamento em linha e material SiGe são aplicados ao DF-TFET. Enquanto isso, função de trabalho do metal de gate é otimizada para further melhorar a taxa de tunelamento. Além disso, o canal sem dopagem reduziu a dificuldade do processo de fabricação enquanto a estrutura fin torna a fabricação de gate/backgate assimétrico aplicável. Como resultado, corrente de estado ligado (I_ON) de 58,8μA/μm, corrente de vazamento de estado desligado (I_OFF) próxima a 10⁻¹¹ μA/μm, swing sublimiar médio (SS_avg) de 18,2 mV/dec e swing sublimiar mínimo (SS_min) de 2,8 mV/dec podem ser alcançados por DF-TFET. Com capacitância de gate (C_gg) e capacitância gate-dreno (C_gd) relativamente pequenas, bom desempenho analógico/RF pode ser obtido. Finalmente, a frequência de corte (f_T) alcançou 5,04 GHz e produto ganho-largura de banda (GBW) alcançou 1,29 GHz.

A estrutura deste artigo é a seguinte: seção "Estrutura do Dispositivo e Método de Simulação" mostra os métodos de simulação TCAD deste trabalho. A estrutura e o parâmetro do DF-TFET são introduzidos. As diferenças e vantagens do DF-TFET comparado com DL-TFET e TG-TFET são ilustradas. O mecanismo, característica e desempenho analógico/RF do DF-TFET são discutidos na seção "Resultados e Discussão". Uma comparação de desempenho entre DF-TFET, DL-TFET e TG-TFET é realizada nesta seção. Além disso, a influência dos parâmetros do dispositivo no desempenho e parâmetros RF típicos do DF-TFET é estudada nesta seção. Para further entender o potencial de DF-TFETs em aplicações de ultra-baixo consumo, comparações de características elétricas entre diferentes TFETs e DF-TFETs sob polarização de baixa tensão foram realizadas.

Estrutura do Dispositivo e Método de Simulação

A estrutura proposta do DF-TFET é ilustrada na Fig. 1a. Para melhorar o desempenho do dispositivo, junção de tunelamento em linha é aplicada ao canal SiGe tipo fin sem dopagem pelo conceito de plasma de carga. Sabe-se que a espessura do dielétrico de gate pode afetar significativamente a corrente de tunelamento. Isto é porque no resultado da aproximação WKB, como mostrado na Eq. (1), a probabilidade de tunelamento depende do comprimento de blindagem efetivo (λ), massa efetiva de portador (m^*), banda proibida de energia (E_g) e janela de energia de blindagem efetiva (ΔΦ).

$$T_{\text{WKB}} \approx \exp \left( { - \frac{{4\lambda \sqrt {2m^{ * } } \sqrt {E_{{\text{g}}}^{3} } }}{{3q\hbar (E_{{\text{g}}} + \Delta \Phi )}}} \right)$$ (1)

a Estrutura e b fluxo de fabricação do DF-TFET

Reduzir a espessura do dielétrico de gate ou usar um dielétrico de alta κ reduzirá λ e aumentará ΔΦ, o que causará um aumento exponencial da probabilidade de tunelamento. Assim, usar dielétricos de alta κ e reduzir a espessura do dielétrico pode aumentar significativamente a corrente de estado ligado do TFET. Mas a pequena espessura do dielétrico e problemas de qualidade de interface de dielétricos de alta κ causarão sérios problemas de confiabilidade. Assim, um dielétrico de gate em empilhamento de 0,5 nm de Al₂O₃ e 2,0 nm de HfO₂ é definido para garantir boa qualidade de interface, o que pode reduzir significativamente a corrente de vazamento e melhorar a confiabilidade do dielétrico de gate. O eletrodo de fonte está localizado no topo da estrutura fin. Ao mesmo tempo, também está próximo a um lado do fin e funciona como um "backgate" para aplicar polarização zero. Usando eletrodos de gate e fonte com diferentes funções de trabalho de metal, uma junção de tunelamento em linha pode ser formada no canal SiGe tipo fin sem dopagem pelo conceito de plasma de carga. A direção de tunelamento banda-a-banda (BTBT) é perpendicular à superfície canal/gate. Isto pode ajudar a aumentar I_ON melhorando a área efetiva da junção de tunelamento.

Alta razão de comutação (I_ON/I_OFF) pode ser obtida devido à grande corrente de estado ligado (I_ON) e pequena corrente de estado desligado (I_OFF) fornecida pela junção de tunelamento em linha. Além disso, a aplicação de uma estrutura fin no DF-TFET pode reduzir notavelmente a área de ocupação comparada ao TFET de tunelamento em linha planar. A Figura 1b mostra um fluxo de fabricação disponível para formar a estrutura do DF-TFET. A Tabela 1 mostra os principais parâmetros de processo do DF-TFET. Finalmente, sem a dificuldade de fazer uma junção p-n abrupta íngreme e uniforme, bom desempenho e robustez do dispositivo podem ser alcançados.

Para melhor entender as diferenças e vantagens do DF-TFET, DL-TFET e TG-TFET, a Fig. 2 mostra a estrutura destes três dispositivos. Com junção de tunelamento em linha, L-TFET e TG-TFET esperam obter alta corrente de estado ligado. Mas resultados experimentais mostram que o desempenho real do L-TFET não é tão alto quanto esperado. Uma das razões mais importantes é a dificuldade em formar uma junção p-n abrupta íngreme e uniforme com características de interface perfeitas. Baseado na estrutura do L-TFET, TG-TFET faz uma grande melhoria no I_ON. Mas TG-TFET ainda enfrenta a dificuldade em formar uma junção p-n abrupta perfeita. Assim, para obter o bom desempenho desejável, uma junção p-n abrupta íngreme e uniforme que tem apenas alguns nanômetros de espessura deve ser obtida, mas é muito difícil de realizar no processo de fabricação. Usando um canal sem dopagem, DL-TFET pode evitar este problema e trazer melhor qualidade de interface perto da junção de tunelamento. No entanto, comparado a TFETs de tunelamento em linha com junções p-n abruptas, resultado de simulação mostra que o I_ON do DL-TFET é relativamente baixo. Para further melhoria, o DF-TFET é proposto e estudado neste trabalho.

Estrutura de a DF-TFET, b DL-TFET, c TG-TFET

Simulação do DF-TFET é realizada em ferramentas TCAD Silvaco Atlas. Modelo BTBT não-local é introduzido nesta simulação para levar em conta a variação espacial da banda de energia, o que pode ajudar a melhorar a precisão do processo de tunelamento BTBT. Modelo de mobilidade Lombardi é considerado para tornar a mobilidade do canal precisa. Modelo de estreitamento de banda proibida é levado em conta para ajustar regiões de contato ôhmico fortemente dopadas, e modelo de recombinação Shockley-Read-Hall é tomado em consideração neste artigo também.

Resultados e Discussão

Mecanismo e Comparação de DF-TFET, DL-TFET e TG-TFET

A Figura 3a mostra a comparação de características de transferência de DF-TFET, DL-TFET e TG-TFET. Beneficiando-se da junção de tunelamento em linha no canal SiGe tipo fin, DF-TFET alcança uma corrente de estado ligado (I_ON) de 58,8 μA/μm e atinge uma grande razão de comutação de mais de 12 ordens de magnitude onde nenhum efeito ambipolar óbvio ocorre. Além disso, swing sublimiar mínimo (SS_min) de 2,8 mV/dec e swing sublimiar médio (SS_avg) de 18,2 mV/dec são obtidos. Como resultado, DF-TFET tem melhoria óbvia em I_ON comparado a DL-TFET e swing sublimiar comparado a TG-TFET. I_ON do DF-TFET é mais de uma ordem de magnitude maior que DL-TFET em V_DS = V_GS = 1 V. A Figura 3b mostra a condição de banda de energia do DF-TFET e ilustra a formação de janela de tunelamento no canal tipo fin. A linha pontilhada vermelha no inseto da Fig. 3b mostra a posição onde a curva de banda de energia é obtida.

a Características de transferência de DF-TFET, DL-TFET e TG-TFET. b Condição de banda de energia do DF-TFET em diferentes condições de trabalho (o inseto mostra a posição da linha de corte)

A distribuição de quantidade física importante no processo de tunelamento do DF-TFET é mostrada na Fig. 4, que inclui a distribuição de (a) potencial, (b) taxa de tunelamento de elétrons, (c) densidade de corrente total e (d) taxa de recombinação em condição de trabalho de estado ligado. Na Fig. 4a, um gradiente de potencial claro perpendicular à interface gate/canal pode ser observado. Assim, uma enorme diferença de potencial é gerada no canal tipo fin e isto modulará a concentração de elétrons e lacunas em ambos os lados do canal fin. Ao mesmo tempo, uma curvatura íngreme de banda de energia pode ser formada no canal tipo fin. Como resultado, uma junção de tunelamento em linha paralela à interface gate/canal pode ser formada. A Figura 4b mostra a taxa de tunelamento de elétrons na estrutura de canal fin. O valor de pico da taxa de tunelamento de elétrons é distribuído uniformemente perto da interface gate/canal e paralelo à superfície. Isto prova que a junção de tunelamento em linha é paralela à interface gate/canal. A Figura 4c mostra o caminho de corrente no DF-TFET. Os elétrons da banda de valência do lado backgate/canal tunelam para a banda de condução perto do lado gate/canal. Sob a influência de tensão de gate e tensão de dreno, elétrons movem ao longo do canal fin para o eletrodo de dreno. Desta forma, um caminho de corrente de tunelamento é formado no DF-TFET. A Figura 4d mostra a distribuição de taxa de recombinação no DF-TFET; isto pode ilustrar a localização da junção de tunelamento mais obviamente. A faixa roxa no canal fin SiGe pode representar a localização da junção de tunelamento.

Distribuição de a potencial, b taxa de tunelamento de elétrons, c densidade de corrente e d taxa de recombinação do DF-TFET

Características DC com Diferentes Parâmetros e Desempenho Analógico/RF

A Figura 5a, b mostra as características de entrada e saída do DF-TFET sob diferentes polarizações. O aumento de V_DS tem pouco efeito nas características de swing sublimiar, mas I_ON terá um crescimento linear enquanto V_DS aumenta de 0,2 a 1,2 V (em V_GS = 1,0 V). A Figura 5c mostra a frequência de corte (f_T) e produto ganho-largura de banda (GBW) calculados pelas Eqs. (2) e (3). Resultado mostra que uma frequência de corte de 5,04 GHz e um produto ganho-largura de banda de 1,29 GHz podem ser obtidos.

$$f_{{\text{T}}} = \frac{{g_{{\text{m}}} }}{{2\pi C_{{{\text{gs}}}} \sqrt {1 + 2C_{{{\text{gd}}}} /C_{{{\text{gs}}}} } }} \approx \frac{{g_{{\text{m}}} }}{{2\pi \left( {C_{{{\text{gs}}}} + C_{{{\text{gd}}}} } \right)}} = \frac{{g_{{\text{m}}} }}{{2\pi C_{{{\text{gg}}}} }}$$ (2) $${\text{GBW}} = g_{{\text{m}}} /2\pi 10C_{{{\text{gd}}}}$$ (3)

a Entrada, b saída e c características de radiofrequência do DF-TFET

A Figura 6a mostra o efeito da função de trabalho do gate (φ_Gate) e função de trabalho do dreno (φ_Drain) nas características de transferência do DF-TFET. Com o aumento da função de trabalho, a curva de característica de transferência desloca para a direção positiva. Como a função de trabalho varia de 3,7 a 4,2 eV, o V_th aumenta linearmente de 0 a 0,5 V enquanto o I_ON diminui linearmente de 93,4 a 18,6 μA/μm. Isto torna possível ajustar V_th para aplicar a diferentes requisitos de aplicação. A Figura 6b mostra o efeito da razão de composição X de Si_1−XGe_X. O aumento na composição de germânio leva à diminuição da banda proibida de energia e aumento da janela de tunelamento, como mostrado no inseto da Fig. 6b. Finalmente, resulta no aumento de I_ON e curva de característica de transferência translada para a direção negativa. No entanto, quando X > 0,7, tanto a curva de característica de transferência quanto o I_ON têm pouca mudança com o aumento de X. Isto é porque a estrutura de banda de energia do canal torna-se insensível a X quando X > 0,7, como mostrado no inseto da Fig. 6b. Figura 6c, d mostra o efeito do comprimento de gate (W_g) e espessura de canal (H_c) nas características de transferência. O inseto da Fig. 6c mostra as dimensões do canal do dispositivo sob diferentes W_g. Não é difícil observar na Fig. 6d que DF-TFET sofrerá diminuição de I_ON quando H_c se tornar tanto muito pequeno quanto muito grande. Assim, um H_c adequado beneficiará o desempenho do dispositivo.

Características de transferência com diferentes a função de trabalho do gate (φ_Gate) e função de trabalho do dreno (φ_Drain), b razão de composição SiGe, c comprimento de gate (W_g) e d espessura de canal (H_c)

Para entender o potencial do DF-TFET em aplicações de ultra-baixo consumo, a Tabela 2 mostra uma comparação de desempenho de diferentes TFETs com DF-TFET. Comparado a TFETs com junção de tunelamento p-n fortemente dopada tradicional [6, 20, 32,33,34,35], DF-TFET tem vantagens óbvias em SS e razão de comutação. Isto é devido às características do DF-TFET usando dopagem eletrostática. Comparado a outros TFETs sem dopagem [22, 23, 36, 37], DF-TFET tem vantagens óbvias em I_ON. Isto é porque da taxa de tunelamento melhorada usando junção de tunelamento em linha e material SiGe. Combinando as vantagens de junção de tunelamento p-n e junção de tunelamento sem dopagem, DF-TFET pode fornecer alta corrente de operação e baixo consumo de potência estático em aplicações de ultra-baixo consumo.

Conclusão

Neste trabalho, um novo DF-TFET é proposto e as características elétricas são analisadas por método de simulação. A característica de estrutura, mecanismo físico, desempenho com diferentes parâmetros e desempenho analógico/RF do DF-TFET são discutidos e estudados. Beneficiando-se da estrutura de canal fin sem dopagem, dielétrico de gate em empilhamento, material de canal SiGe e junção de tunelamento em linha de alta eficiência, bom desempenho em características de comutação e características analógicas/RF pode ser obtido. Além disso, evitando a formação da junção p-n abrupta no processo de fabricação, dopagem uniforme com alta consistência e alta robustez em flutuação de processo pode ser alcançada. Resultado de simulação mostra que, I_ON de 58,8 μA/μm, razão de comutação de 12 ordens de magnitude, nenhum efeito ambipolar óbvio, SS_min de 2,8 mV/dec e f_T de 5,04 GHz podem ser alcançados por DF-TFET. Com a grande corrente de operação, alta razão de comutação, SS íngreme, boa confiabilidade, processo de fabricação estável e boa fabricabilidade, pode ser esperado como um dos candidatos promissores para futuros CIs de baixo consumo e aplicações de sensores sensíveis.

Disponibilidade de dados e materiais

Não aplicável (Este manuscrito é um estudo puramente teórico sobre desempenho analógico/RF de TFET. Os dados de simulação foram dados neste manuscrito, e não é para ser descrito aqui).

Abreviações

DF-TFET:

TFET de canal SiGe tipo fin sem dopagem

CIs:

Circuitos integrados

TG-TFET:

TFET de gate em T com fonte dupla

DL-TFET:

TFET sem dopagem

I_ON:

Corrente de estado ligado

I_OFF:

Corrente de estado desligado

SS_min:

Swing sublimiar mínimo

SS_avg:

Swing sublimiar médio

C_gg:

Capacitância de gate

C_gd:

Capacitância gate-dreno

f_T:

Frequência de corte

GBW:

Produto ganho-largura de banda

λ:

Comprimento de blindagem efetivo

m*:

Massa efetiva de portador

E_g:

Banda proibida de energia

ΔΦ:

Janela de energia de blindagem efetiva

W_g:

Comprimento de gate

W_Gap:

Comprimento de gap

T_ox:

Espessura de óxido de gate em empilhamento

H_c:

Espessura de canal

φ_Gate/φ_Drain:

Função de trabalho de gate e dreno

V_DS:

Tensão dreno-fonte

V_GS:

Tensão gate-fonte