TFET de canal SiGe tipo aleta sin dopaje de alto rendimiento: Corriente On mejorada y relación de conmutación de 12 órdenes

Resumen

En este artículo, se propone y estudia un TFET de canal SiGe tipo aleta sin dopaje (DF-TFET). Para formar una unión de túnel lineal de alta eficiencia sin dopaje, se inducen un canal SiGe tipo aleta y una superposición gate/source. A través de estos métodos, se puede obtener un DF-TFET con alta corriente en estado on, relación de conmutación de 12 órdenes de magnitud y sin efecto ambipolar obvio. Se induce material dieléctrico de gate de alto κ en pila para mejorar la fuga en estado off, características de interfaz y fiabilidad del DF-TFET. Además, al usar canal sin dopaje y estructura tipo aleta, se resuelven las dificultades del proceso de dopaje y formación de superposición de gate asimétrica. Como resultado, la estructura de DF-TFET puede poseer buena aplicabilidad de manufactura y reducir notablemente la huella. El mecanismo físico del dispositivo y el efecto de parámetros en el rendimiento se estudian en este trabajo. Finalmente, se puede obtener corriente en estado on (I_ON) de 58,8 μA/μm, swing subumbral mínimo de 2,8 mV/dec (SS_min), swing subumbral promedio (SS_avg) de 18,2 mV/dec. Con características de capacitancia mejoradas, frecuencia de corte de 5,04 GHz y producto ganancia-ancho de banda de 1,29 GHz se pueden obtener. Con rendimiento y robustez mejorados, DF-TFET puede ser un candidato muy atractivo para aplicaciones de ultra-bajo consumo.

Introducción

Con la reducción de escala de MOSFETs, la velocidad de conmutación, desempeño de alta frecuencia, densidad, costo y funcionalidad de circuitos integrados (CI) han mejorado enormemente. Pero con el progreso continuo de reducción de voltaje, el consumo de energía inaceptablemente alto se vuelve un problema serio para CI modernos. Beneficiándose del mecanismo de túnel banda a banda, el FET de túnel (TFET) con SS pronunciado y bajo consumo de energía aporta nueva solución a este problema y ha atraído mucha atención. Pero las aplicaciones de TFETs convencionales basados en silicio están limitadas por corriente en estado on (I_ON) considerablemente baja, baja relación de conmutación, efecto ambipolar severo y gran swing subumbral promedio (SS). Para mejorar el rendimiento de TFETs, se han propuesto aplicaciones de nuevas estructuras y materiales en TFETs en años recientes. Por ejemplo, TFETs con capa de tasa de túnel mejorada se propusieron en años recientes. Con esta capa, la longitud efectiva de camino de túnel se reduce y resulta en mejora obvia de tasa de túnel. Además, TFETs con estructura de gate mejorada se estudian por muchos grupos de investigación. El concepto de túnel lineal se introduce en L-TFET. Como resultado, SS_avg de 42,8 mV/decada e I_ON de 10⁻⁶ A/μm pueden lograrse por L-TFET. Para mejorarさらに el rendimiento del dispositivo, se reporta un TG-TFET mejorado con superposición en T y doble source. Como resultado, I_ON de TG-TFET alcanza 81 μA/μm. Para mejorarさらに el rendimiento del dispositivo, se requiere alta exigencia en perfil de dopaje de la unión de túnel. Ingenieros de fundición necesitan crear una unión abrupta ultra-empinada que tenga solo varios nanómetros de espesor, y esto es muy difícil de lograr. Para evitar esta dificultad, se reporta TFET sin dopaje (DL-TFET) en película intrínseca delgada de semiconductor usando concepto de plasma de carga por grupos de investigación. En DL-TFET, la dificultad de manufactura puede reducirse significativamente eliminando la unión abrupta ultra-empinada. La degradación de rendimiento inducida por fluctuaciones aleatorias de dopantes puede evitarse. Además, la fabricación de DL-TFET no demanda altos presupuestos térmicos para crear source y drain, abriendo la posibilidad de realizar TFETs en otros sustratos como silicio monocristalino en vidrio. Como resultado, el SS de DL-TFET ha mejorado enormemente. Sin embargo, debido a la baja eficiencia de unión de túnel puntual, la corriente de DL-TFET no es lo suficientemente alta, difícil de satisfacer requisitos crecientes de aplicaciones de circuitos modernos.

En este artículo, se propone y estudia un novedoso TFET de canal SiGe tipo aleta sin dopaje (DF-TFET). Para mejorar rendimiento y robustez del dispositivo, se aplican unión de túnel lineal y material SiGe a DF-TFET. Mientras tanto, la función de trabajo de metal de gate se optimiza para mejorarさらに la tasa de túnel. Además, el canal sin dopaje redujo la dificultad del proceso de manufactura mientras la estructura tipo aleta hace la manufactura de gate/backgate asimétrico aplicable. Como resultado, se pueden alcanzar I_ON de 58,8 μA/μm, corriente de fuga en estado off (I_OFF) cerca de 10⁻¹¹ μA/μm, SS_avg de 18,2 mV/dec y SS_min de 2,8 mV/dec por DF-TFET. Con capacitancia de gate (C_gg) y capacitancia gate-drain (C_gd) relativamente pequeñas, se puede obtener buen desempeño analógico/RF. Finalmente, frecuencia de corte (f_T) alcanzó 5,04 GHz y producto ganancia-ancho de banda (GBW) alcanzó 1,29 GHz.

Las estructuras de este artículo son: sección "Estructura del Dispositivo y Método de Simulación" muestra métodos de simulación TCAD de este trabajo. Se introducen la estructura y parámetro de DF-TFET. Se ilustran las diferencias y ventajas de DF-TFET comparado con DL-TFET y TG-TFET. El mecanismo, característica y desempeño analógico/RF de DF-TFET se discuten en sección "Resultados y Discusión". Se realiza comparación de rendimiento entre DF-TFET, DL-TFET y TG-TFET en esta sección. Además, la influencia de parámetros del dispositivo en rendimiento y parámetros RF típicos de DF-TFET se estudia en esta sección. Para entenderさらに el potencial de DF-TFETs en aplicaciones de ultra-bajo consumo, se realizaron comparaciones de características eléctricas entre diferentes TFETs y DF-TFETs bajo sesgo de bajo voltaje.

Estructura del Dispositivo y Método de Simulación

La estructura propuesta de DF-TFET se ilustra en Fig. 1a. Para mejorar el rendimiento del dispositivo, unión de túnel lineal se aplica al canal SiGe tipo aleta sin dopaje por concepto de plasma de carga. Se sabe que el espesor dieléctrico de gate puede afectar significativamente la corriente de túnel. Esto es porque en resultado de aproximación WKB, como se muestra en Ec. (1), la probabilidad de túnel depende de longitud de apantallamiento efectiva (λ), masa efectiva de portador (m*), banda prohibida (E_g) y ventana de energía de apantallamiento efectiva (ΔΦ).

T_WKB ≈ exp[-4λ√(2m*)√(E_g³) / 3qℏ(E_g + ΔΦ)] (1)

Reducir el espesor del dieléctrico de gate o usar dieléctrico de alto κ reducirá λ y aumentará ΔΦ, causando aumento exponencial de probabilidad de túnel. Así, usar dieléctricos de alto κ y reducir espesor dieléctrico puede aumentar significativamente la corriente en estado on de TFET. Pero el pequeño espesor dieléctrico y problemas de calidad de interfaz de dieléctricos de alto κ causarán serios problemas de fiabilidad. Así, un dieléctrico de gate en pila de 0,5 nm Al₂O₃ y 2,0 nm HfO₂ se establece para garantiar buena calidad de interfaz, lo que puede reducir significativamente la corriente de fuga y mejorar la fiabilidad del dieléctrico de gate. El electrodo source está ubicado en la parte superior de la estructura tipo aleta. Al mismo tiempo, también está al lado de un lado de la aleta y funciona como "backgate" para aplicar sesgo cero. Usando electrodos gate y source con diferentes funciones de trabajo de metal, una unión de túnel lineal puede formarse en el canal SiGe tipo aleta sin dopaje por concepto de plasma de carga. La dirección de túnel banda a banda (BTBT) es perpendicular a la superficie canal/gate. Esto puede ayudar a aumentar I_ON mejorando el área efectiva de unión de túnel.

Alta relación de conmutación (I_ON/I_OFF) puede obtenerse debido a la gran corriente en estado on (I_ON) y pequeña corriente en estado off (I_OFF) provista por la unión de túnel lineal. Además, la aplicación de estructura tipo aleta en DF-TFET puede reducir notablemente la huella comparado con TFET de túnel lineal planar. La Figura 1b muestra un flujo de fabricación disponible para formar la estructura de DF-TFET. La Tabla 1 muestra los principales parámetros de proceso de DF-TFET. Finalmente, sin la dificultad de hacer una unión p-n abrupta empinada y uniforme, se puede lograr buen rendimiento y robustez del dispositivo.

Para entender mejor las diferencias y ventajas de DF-TFET, DL-TFET y TG-TFET, Fig. 2 muestra la estructura de estos tres dispositivos. Con unión de túnel lineal, L-TFET y TG-TFET esperan obtener alta corriente en estado on. Pero resultados experimentales muestran que el rendimiento real de L-TFET no es tan alto como se esperaba. Una de las razones más importantes es la dificultad en formar una unión p-n abrupta empinada y uniforme con características de interfaz perfectas. Basado en estructura de L-TFET, TG-TFET hace gran mejora en I_ON. Pero TG-TFET aún enfrenta dificultad en formar unión p-n abrupta perfecta. Así, para obtener buen rendimiento deseable, se debería obtener unión p-n abrupta empinada y uniforme de solo varios nanómetros de espesor, pero es muy difícil de realizar en proceso de manufactura. Usando canal sin dopaje, DL-TFET puede evitar este problema y traer mejor calidad de interfaz cerca de unión de túnel. Sin embargo, comparado con TFETs de túnel lineal con uniones p-n abruptas, resultado de simulación muestra que I_ON de DL-TFET es relativamente bajo. Para mejorarさらに, se propone y estudia DF-TFET en este trabajo.

La simulación de DF-TFET se realiza en herramientas Silvaco Atlas TCAD. Modelo BTBT no local se introduce en esta simulación para tomar en cuenta la variación espacial de banda de energía, lo que puede ayudar a mejorar la precisión del proceso de túnel BTBT. Modelo de movilidad Lombardi se considera para hacer precisa la movilidad de canal. Modelo de estrechamiento de banda prohibida se toma en cuenta para ajustar regiones de contacto óhmico fuertemente dopadas, y modelo de recombinación Shockley-Read-Hall también se considera en este artículo.

Resultados y Discusión

Mecanismo y Comparación de DF-TFET, DL-TFET y TG-TFET

La Figura 3a muestra la comparación de características de transferencia de DF-TFET, DL-TFET y TG-TFET. Beneficiándose de la unión de túnel lineal en canal SiGe tipo aleta, DF-TFET alcanza I_ON de 58,8 μA/μm y logra gran relación de conmutación de más de 12 órdenes de magnitud donde no ocurre efecto ambipolar obvio. Además, se obtienen SS_min de 2,8 mV/dec y SS_avg de 18,2 mV/dec. Como resultado, DF-TFET tiene mejora obvia en I_ON comparado con DL-TFET y swing subumbral comparado con TG-TFET. I_ON de DF-TFET es más de un orden de magnitud mayor que DL-TFET a V_DS = V_GS = 1 V. La Figura 3b muestra la condición de banda de energía de DF-TFET e ilustra la formación de ventana de túnel en canal tipo aleta. La línea punteada roja en el recuadro de Fig. 3b muestra la posición donde se obtiene la curva de banda de energía.

La distribución de cantidad física importante en proceso de túnel de DF-TFET se muestra en Fig. 4, que incluye distribución de (a) potencial, (b) tasa de túnel de electrones, (c) densidad de corriente total y (d) tasa de recombinación en condición de trabajo on-state. En Fig. 4a, se observa un gradiente de potencial claro perpendicular a la interfaz gate/canal. Así, se genera gran diferencia de potencial en canal tipo aleta y esto modulará la concentración de electrones y huecos en ambos lados de canal de aleta. Al mismo tiempo, se puede formar una curvatura pronunciada de banda de energía en canal tipo aleta. Como resultado, una unión de túnel lineal paralela a la interfaz gate/canal puede formarse. Figura 4b muestra la tasa de túnel de electrones en estructura de canal de aleta. El valor pico de tasa de túnel de electrones se distribuye uniformemente cerca de la interfaz gate/canal y paralelo a la superficie. Esto prueba que la unión de túnel lineal es paralela a la interfaz gate/canal. Figura 4c muestra el camino de corriente en DF-TFET. Los electrones de banda de valencia del lado backgate/canal tunelan a banda de conducción cerca del lado gate/canal. Bajo influencia de voltaje de gate y drain, electrones se mueven a lo largo del canal de aleta al electrodo drain. Así, se forma un camino de corriente de túnel en DF-TFET. Figura 4d muestra la distribución de tasa de recombinación en DF-TFET; esto puede ilustrar la ubicación de la unión de túnel más obviamente. La franja púrpura en canal SiGe de aleta puede representar la ubicación de la unión de túnel.

Características DC con Diferentes Parámetros y Desempeño Analógico/RF

Figura 5a, b muestra las características de entrada y salida de DF-TFET bajo diferentes sesgos. El aumento de V_DS tiene poco efecto en características de swing subumbral, pero I_ON tendrá crecimiento lineal mientras V_DS aumenta de 0,2 a 1,2 V (a V_GS = 1,0 V). Figura 5c muestra la frecuencia de corte (f_T) y producto ganancia-ancho de banda (GBW) calculados por Ec. (2) y (3). Resultado muestra que se pueden obtener frecuencia de corte de 5,04 GHz y producto ganancia-ancho de banda de 1,29 GHz.

f_T = g_m / 2πC_gs√(1 + 2C_gd/C_gs) ≈ g_m / 2π(C_gs + C_gd) = g_m / 2πC_gg (2)

GBW = g_m / 2π10C_gd (3)

Figura 6a muestra el efecto de función de trabajo de gate (φ_Gate) y función de trabajo de drain (φ_Drain) en características de transferencia de DF-TFET. Con aumento de función de trabajo, la curva de característica de transferencia se desplaza hacia dirección positiva. Como la función de trabajo varía de 3,7 a 4,2 eV, V_th aumenta linealmente de 0 a 0,5 V mientras I_ON disminuye linealmente de 93,4 a 18,6 μA/μm. Esto hace posible ajustar V_th para aplicar a diferentes requisitos de aplicación. Figura 6b muestra el efecto de relación de composición X de Si_1-XGe_X. El aumento en composición de germanio conduce a disminución de banda prohibida y aumento de ventana de túnel, como se muestra en recuadro de Fig. 6b. Finalmente, resulta en aumento de I_ON y curva de característica de transferencia se traduce hacia dirección negativa. Sin embargo, cuando X > 0,7, tanto la curva de característica de transferencia como I_ON tienen poco cambio con aumento de X. Esto es porque la estructura de banda de energía de canal se vuelve insensible a X cuando X > 0,7, como se muestra en recuadro de Fig. 6b. Figura 6c, d muestra el efecto de longitud de gate (W_g) y espesor de canal (H_c) en características de transferencia. El recuadro de Fig. 6c muestra las dimensiones de canal de dispositivo bajo diferentes W_g. No es difícil observar de Fig. 6d que DF-TFET sufrirá disminución de I_ON cuando H_c se vuelve tanto demasiado pequeño como demasiado grande. Así, un H_c apropiado beneficiará el rendimiento del dispositivo.

Para entender el potencial de DF-TFET en aplicaciones de ultra-bajo consumo, Tabla 2 muestra comparación de rendimiento de diferentes TFETs con DF-TFET. Comparado con TFETs con unión de túnel p-n fuertemente dopada tradicional, DF-TFET tiene ventajas obvias en SS y relación de conmutación. Esto se debe a las características de DF-TFET usando dopaje electrostático. Comparado con otros TFETs sin dopaje, DF-TFET tiene ventajas obvias en I_ON. Esto es por la tasa de túnel mejorada usando unión de túnel lineal y material SiGe. Combinando ventajas de unión de túnel p-n y unión de túnel sin dopaje, DF-TFET puede proporcionar alta corriente de operación y bajo consumo de potencia estática en aplicaciones de ultra-bajo consumo.

Conclusión

En este trabajo, se propone un novedoso DF-TFET y se analizan las características eléctricas por método de simulación. Se discuten y estudian la característica de estructura, mecanismo físico, rendimiento con diferentes parámetros y desempeño analógico/RF de DF-TFET. Beneficiándose de estructura de canal tipo aleta sin dopaje, dieléctrico de gate en pila, material de canal SiGe y unión de túnel lineal de alta eficiencia, se puede obtener buen rendimiento en características de conmutación y analógico/RF. Además, evitando la formación de unión p-n abrupta en proceso de manufactura, dopaje uniforme con alta consistencia y alta robustez en fluctuación de proceso puede lograrse. Resultado de simulación muestra que I_ON de 58,8 μA/μm, relación de conmutación de 12 órdenes de magnitud, sin efecto ambipolar obvio, SS_min de 2,8 mV/dec y f_T de 5,04 GHz pueden alcanzarse por DF-TFET. Con gran corriente de operación, alta relación de conmutación, SS pronunciado, buena fiabilidad, proceso de fabricación estable y buena manufacturabilidad, se puede esperar como uno de los candidatos prometedores para futuros CI de bajo consumo y aplicaciones de sensores sensibles.