Высокопроизводительный аналоговый/РЧ T-образный затвор двух-источников туннельный полевой транзистор

Аннотация

В этом исследовании мы вводим кремниевый T-образный затвор двух-источников туннельный полевой транзистор (TGTFET) и оцениваем его производительность детальными TCAD симуляциями. Выполнен сравнительный анализ с конвенциональными L-образными (LTFET) и U-образными (UTFET) TFET, выделяя преимущества дизайна TGTFET. T-образный затвор вводит перекрытие затвора, усиливающее электрическое поле в туннельном переходе, в то время как двух-источник архитектура удваивает эффективную туннельную площадь. Включая n⁺ карман, скорость зонно-в-зону туннелирования (ZVZT) дальше увеличивается. Результаты симуляции демонстрируют, что TGTFET достигает тока включения 81 мкА/мкм и отношения вкл/выкл 6,7×10¹⁰ при 1 В затвор-источник смещении. Средний субпороговый спад (SS_avg) на 0–0,5 В составляет 51,5 мВ/dec, с минимальным спадом (SS_min) 24,4 мВ/dec при 0,1 В. Устройство демонстрирует сильную устойчивость к дрейн-индуцированному понижению барьера (DIBL). Ключевые аналоговые/РЧ метрики — транскондуктанс (gₘ) 232 мкС/мкм, выходная проводимость (g_ds) 214 мкС/мкм, затвор-источник емкость (C_gs) 0,7 фФ/мкм, затвор-сток емкость (C_gd) 3,7 фФ/мкм, граничная частота (f_T) 11,9 ГГц и произведение усиления на полосу пропускания (GBW) 2,3 ГГц — все достигнуты при дрейн-источник напряжении 0,5 В. По сравнению с UTFET и LTFET, TGTFET обеспечивает превосходные DC и AC характеристики, позиционируя его как убедительного кандидата для низкоэнергетических и аналоговых/РЧ приложений следующего поколения.

Введение

Продолжающееся масштабирование металл-оксид-полупроводниковых полевых транзисторов (MOSFET) исторически вело к улучшению энергоэффективности, скорости переключения и плотности устройств. Однако неизбежный компромисс между снижением напряжения питания и токами утечки (I_OFF) приводит к росту запасной мощности, в то время как короткоканальные эффекты (ККЭ) деградируют надежность. Для противодействия этим вызовам исследователи фокусируются на снижении субпорогового спада (SS) и рабочего напряжения. Туннельные полевые транзисторы (TFET), использующие зонно-в-зону туннелирование, могут достигать SS < 60 мВ/dec, позволяя суб-0,2 В работу и заметно более низкие I_OFF.

TFET особенно привлекательны для низкоэнергетической цифровой логики и الناشющих аналоговых/РЧ схем. Однако конвенциональные P-I-N TFET страдают от ограниченной туннельной площади, ограничивающей ток включения (I_ON). Недавние структурные инновации — такие как L-образные (LTFET) и U-образные (UTFET) затворы — расширили туннельный интерфейс, повышая I_ON сохраняя компактность. Тем не менее, дальнейшие приросты производительности и детальные аналоговые/РЧ характеристики остаются необходимыми.

Мы предлагаем T-образный затвор двух-источников TFET (TGTFET), удваивающий туннельную площадь относительно LTFET и UTFET и вводящий перекрытие затвора для заостренного электрического поля. Наше TCAD исследование демонстрирует, что этот дизайн дает более высокий I_ON, суб-60 мВ/dec SS и превосходные аналоговые/РЧ метрики.

Методы

TGTFET структура иллюстрирована на рис. 1. Звор формирует «T» форму (зеленая область), перекрывая как вертикальные, так и боковые n⁺ карманы (желтые) для усиления электрического поля на туннельном интерфейсе. Два источника флангуют затвор (синие), в то время как n⁺ сток находится под каналом. Эта конфигурация увеличивает эффективную туннельную площаду и усиливает изгиб зон, таким образом повышая скорость ZVZT.

Рис. 2 сравнивает TGTFET, UTFET и LTFET структуры. Перекрытие затвора в TGTFET повышает туннельную эффективность, и двух-источник компоновка удваивает площадь перехода относительно других дизайнов.

Ключевые параметры симуляции: H_s = 30 нм, H_g = 40 нм, W_g = 6 нм, H_c = 15 нм, T_p = 5 нм, φ = 4,33 эВ, T_ox = 2 нм (HfO₂), N_S = 1×10²⁰ см⁻³, N_D = 1×10¹⁹ см⁻³, N_sub = 1×10¹⁷ см⁻³, N_P = 5×10¹⁸ см⁻³. Все устройства имеют 1 мкм ширину в симуляции.

Симуляции выполнялись в Silvaco Atlas с нелокальной ZVZT моделью, Ломбарди подвижностью, Ферми статистикой, сужением запрещенной зоны и Шокли-Ред-Холл рекомбинацией для точного захвата физики.

Результаты и обсуждение

Механизм устройства и DC характеристики с разными параметрами

Рис. 3a показывает передаточные кривые TGTFET с и без перекрытия затвора. Перекрытие повышает I_ON с 7,5×10⁻⁵ до 8,1×10⁻⁵ А/мкм при V_g = V_d = 1 В. Рис. 3b сравнивает TGTFET, UTFET и LTFET под идентичной геометрией. TGTFET дает двукратное преимущество в I_ON, с SS_min = 24,4 мВ/dec при V_g = 0,1 В и SS_avg = 51,5 мВ/dec на 0–0,5 В. Отношения вкл/выкл достигают 6,7×10¹⁰ (V_g = V_d = 1 В) и 6,5×10⁸ (V_g = V_d = 0,5 В).

Рис. 4 иллюстрирует скорость ZVZT для TGTFET с и без 5-нм перекрытия затвора. Перекрытие расширяет туннельную площадь, напрямую транслируясь в более высокий I_ON.

Рис. 5 представляет 3D карты электрического поля. С 5-нм перекрытием появляются два выраженных пика поля, отсутствующие в случае без перекрытия. Связанная зональная структура, показана на рис. 5c, раскрывает более широкое туннельное окно, объясняющее увеличенную скорость ZVZT и I_ON.

Рис. 6 исследует влияние n⁺ кармана. Увеличение легирования кармана резко повышает I_OFF (рис. 6a). Уменьшение толщины кармана с 7 до 3 нм при фиксированном легировании 5×10¹⁸ см⁻³ улучшает SS и I_ON (рис. 6b) без значительной субпороговой утечки, указывая на то, что более легкое легирование кармана подавляет выкл-состояние ZVZT.

Рис. 7 изучает высоту затвора (H_g) и толщину канала (H_c). Небольшое увеличение H_g смягчает горб энергетической зоны, препятствующий электронному транспорту (рис. 7c), улучшая I_ON и SS. Уменьшение H_c слегка улучшает I_ON (рис. 7b), но дальнейшее снижение до 5 нм вызывает серьезную субпороговую утечку (рис. 8), так как угловой ZVZT ток доминирует.

Рис. 9 исследует дрейн-источник напряжение (V_d). Для V_d < 0,6 В I_ON резко растет с V_d из-за сниженного канального сопротивления. Выше 1,8 В I_ON насыщается, в то время как I_OFF эскалирует, потому что угловой ZVZT усиливается. В промежуточном диапазоне (0,6–1,8 В) TGTFET демонстрирует надежную, стабильную производительность и сильную иммунность к DIBL.

Аналоговая/РЧ производительность TGTFET, UTFET и LTFET

Рис. 10 показывает передаточные кривые и транскондуктанс (gₘ) трех устройств при V_d = 0,5 В. TGTFET достигает пикового gₘ 232 мкС/мкм — почти вдвое больше UTFET (120 мкС/мкм) и LTFET (110 мкС/мкм) — благодаря двух-источник архитектуре и перекрытию затвора.

Рис. 11 иллюстрирует выходные характеристики, выходную проводимость (g_ds) и выходное сопротивление (R_o). Выходной ток TGTFET удваивает UTFET и LTFET, а его g_ds пикует в 214 мкС/мкм с R_o = 4,6 кОм/мкм при V_d = 0,45 В. Нелинейное поведение R_o vs V_d возникает из взаимодействия между термическим возбуждением через дрейн-барьер и туннельно-ограниченной проводимостью, феномен, ранее сообщенный в TFET литературе.

Емкостной анализ (рис. 14) показывает, что C_gs остается пренебрежимо малой по сравнению с C_gd; таким образом, общая затворная емкость (C_gg) доминируется C_gd. При V_d = 0 В C_gg резко растет с V_g из-за накопления электронов в канале. С V_d = 0,5 В C_gd остается плоской до превышения V_g 0,6 В, отражая ограниченный захват электронов в канале при низком затворном смещении.

Рис. 15 подтверждает, что C_gd для всех трех устройств уменьшается с увеличением V_d при фиксированном V_g, в то время как растет с V_g при фиксированном V_d.

Граничная частота (f_T) и произведение усиления на полосу пропускания (GBW) вычисляются через f_T = gₘ/(2πC_gg) и GBW = gₘ/(2π10C_gd). Рис. 16 показывает, что TGTFET достигает f_T = 11,9 ГГц и GBW = 2,3 ГГц при V_d = 0,5 В — превосходя UTFET (4,1 ГГц, 0,5 ГГц) и LTFET (8,7 ГГц, 2,1 ГГц). Превосходная частотная отклик происходит из двух-источник архитектуры и уменьшенного C_gg.

Заключение

Мы ввели кремниевый TGTFET с T-образным затвором и двух-источник архитектурой. Эта конфигурация удваивает площадь туннельного перехода и через перекрытие затвора заостряет электрическое поле, давая I_ON = 8,1×10⁻⁵ А/мкм, I_ON/I_OFF = 6,7×10¹⁰ и SS_min = 24,4 мВ/dec. Устройство демонстрирует сильную устойчивость к DIBL и поддерживает производительность в широком диапазоне V_d. Аналоговый/РЧ анализ показывает gₘ = 232 мкС/мкм, g_ds = 214 мкС/мкм, C_gg ≈ 3,7 фФ/мкм, f_T = 11,9 ГГц и GBW = 2,3 ГГц — превосходя как UTFET, так и LTFET. Эти результаты подтверждают, что TGTFET является перспективным кандидатом для будущих низкоэнергетических и высокочастотных приложений.

Аббревиатуры

C_gd:

Звор-сток емкость

C_gs:

Звор-источник емкость

f_T:

Граничная частота

GBW:

Произведение усиления на полосу пропускания

g_ds:

Выходная проводимость

g_m:

Транскондуктанс

Hc:

Высота канального слоя

Hg:

Высота затвора

Hs:

Высота источник слоя

LTFET:

L-образный затвор туннельный полевой транзистор

N_D:

Концентрация легирования n⁺ стока

N_P:

Концентрация легирования n⁺ кармана

N_S:

Концентрация легирования p⁺ источника

N_sub:

Концентрация легирования p⁻ подложки

R_o:

Выходное сопротивление

TGTFET:

T-образный затвор двух-источников туннельный полевой транзистор

Tox:

Толщина HfO₂ затворного диэлектрика

Tp:

Толщина n⁺ кармана

UTFET:

U-образный затвор туннельный полевой транзистор

V_d:

Дрейн-источник напряжение

V_g:

Звор-источник напряжение

Wg:

Ширина затвора