Высокопроизводительный бездопированный SiGe плавкообразный TFET: усиленный on-ток и 12-порядковое коэффициент переключения

Аннотация

В данной работе предлагается и изучается бездопированный плавкообразный SiGe канал TFET (DF-TFET). Для формирования высокоэффективного бездопированного линейного туннельного перехода вводятся плавкообразный SiGe канал и перекрытие гейт/источник. Благодаря этим методам можно получить DF-TFET с высоким on-состоянием тока, коэффициентом переключения 12 порядков величины и без очевидного амбиполярного эффекта. Материал с высоким κ вводится в стек гейтового диэлектрика для улучшения off-состояния утечки, интерфейсных характеристик и надежности DF-TFET. Более того, использованием бездопированного канала и плавкообразной структуры решаются трудности процесса допирования и формирования асимметричного перекрытия гейта. В результате структура DF-TFET может обладать хорошей применимостью к производству и заметно уменьшать занимаемую площадь. Физический механизм устройства и влияние параметров на производительность изучаются в этой работе. В конечном итоге достигаются on-ток (I_ON) 58,8 мкА/мкм, минимальный субпороговый наклон (SS_min) 2,8 мВ/дек, средний субпороговый наклон (SS_avg) 18,2 мВ/дек. С улучшенными емкостными характеристиками достигаются частота среза 5,04 ГГц и произведение усиления на полосу пропускания 1,29 ГГц. С улучшенной производительностью и надежностью DF-TFET может быть очень привлекательным кандидатом для ультра-низкопотребляющих приложений.

Введение

С масштабированием MOSFETов скорость переключения, высокочастотная производительность, плотность, стоимость и функциональность интегральных схем (ИС) достигают большого улучшения. Но с непрерывным прогрессом снижения напряжения неприемлемо высокое энергопотребление становится серьезной проблемой для современных ИС. Благодаря механизму межзонного туннелирования туннельный полевой транзистор (TFET) с крутым SS и низким энергопотреблением приносит новое решение этой проблемы и привлекает много внимания. Но применения конвенциональных кремниевых TFET ограничены значительно низким on-током (I_ON), низким коэффициентом переключения, серьезным амбиполярным эффектом и большим средним субпороговым наклоном (SS). Для улучшения производительности TFET в последние годы предлагались применения новых структур и новых материалов. Например, TFET со слоем усиления туннельной скорости предлагались в последние годы. С этим слоем эффективная длина туннельного пути уменьшается и приводит к очевидному усилению туннельной скорости. Более того, TFET с улучшенной гейтовой структурой изучались многими исследовательскими группами. Концепция линейного туннелирования вводится в L-TFET. В результате SS_avg 42,8 мВ/декада и I_ON 10⁻⁶ А/мкм могут быть достигнуты L-TFET. Для дальнейшего улучшения производительности устройства сообщается об улучшенном TG-TFET с T-образным перекрытием и двойным источником. В результате I_ON TG-TFET достигает 81 мкА/мкм. Для дальнейшего улучшения производительности устройства требуется высокое требование к допированному профилю туннельного перехода. Инженеры фабриков должны создавать ультра-крутой резкий p-n переход, имеющий только несколько нанометров толщины, и это очень трудно достичь. Чтобы избежать этой трудности, бездопированный TFET (DL-TFET) на тонком интринзичном полупроводнике используя концепцию зарядной плазмы сообщается исследовательскими группами. В DL-TFET производственная трудность может быть значительно снижена путем удаления ультра-круглого резкого p-n перехода. Деградация производительности, индуцированная случайными флуктуациями допа, может быть избежана. Более того, фабрикация DL-TFET не требует высоких тепловых бюджетов для создания источника и стока, что открывает возможность реализации TFET на других подложках, таких как односхронный кремний на стекле. В результате SS DL-TFET было значительно улучшено. Однако из-за низкой эффективности точечного туннельного перехода ток DL-TFET не достаточно высок, что трудно удовлетворить постоянно растущие требования современных схемных приложений.

В данной работе предлагается и изучается новый бездопированный плавкообразный SiGe канал TFET (DF-TFET). Для улучшения производительности и надежности устройства применяются линейный туннельный переход и SiGe материал. В то же время рабочая функция гейтового металла оптимизируется для дальнейшего улучшения туннельной скорости. Более того, бездопированный канал снижает трудность производственного процесса, в то время как плавкообразная структура делает асимметричную гейт/бэкгейт производственную применимой. В результате on-ток (I_ON) 58,8 мкА/мкм, off-ток утечки (I_OFF) около 10⁻¹¹ мкА/мкм, средний субпороговый наклон (SS_avg) 18,2 мВ/дек и минимальный субпороговый наклон (SS_min) 2,8 мВ/дек могут быть достигнуты DF-TFET. С относительно небольшой гейтовой емкостью (C_gg) и гейт-сток емкостью (C_gd) можно получить хорошую аналоговую/РЧ производительность. Наконец, частота среза (f_T) достигает 5,04 ГГц, а произведение усиления на полосу пропускания (GBW) достигает 1,29 ГГц.

Структура этой работы следующая: раздел «Структура устройства и метод симуляции» показывает методы TCAD симуляции этой работы. Структура и параметры DF-TFET представлены. Различия и преимущества DF-TFET по сравнению с DL-TFET и TG-TFET иллюстрированы. Механизм, характеристики и аналоговая/РЧ производительность DF-TFET обсуждаются в разделе «Результаты и обсуждение». Сравнение производительности между DF-TFET, DL-TFET и TG-TFET проводится в этом разделе. Более того, влияние параметров устройства на производительность и типичные РЧ параметры DF-TFET изучаются в этом разделе. Для дальнейшего понимания потенциала DF-TFET в ультра-низкопотребляющих приложениях сравнения электрических характеристик среди разных TFET и DF-TFET при низковольтном смещении проводятся.

Структура устройства и метод симуляции

Предлагаемая структура DF-TFET иллюстрирована на Рис. 1a. Для улучшения производительности устройства линейный туннельный переход применяется к бездопированному плавкообразному SiGe каналу концепцией зарядной плазмы. Известно, что толщина гейтового диэлектрика может существенно влиять на туннельный ток. Это потому, что в результате WKB аппроксимации, как показано в Уравнении (1), туннельная вероятность зависит от эффективной длины экранирования (λ), эффективной массы носителя (m*), энергетической запрещенной зоны (E_g) и эффективного экранирования энергетического окна (ΔΦ).

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

Уменьшение толщины гейтового диэлектрика или использование высокок диэлектрика уменьшит λ и увеличит ΔΦ, что вызовет экспоненциальное увеличение туннельной вероятности. Таким образом, использование высокок диэлектриков и уменьшение толщины диэлектрика могут значительно увеличить on-ток TFET. Но малая толщина диэлектрика и проблемы качества интерфейса высокок диэлектриков вызовут серьезные проблемы надежности. Таким образом, стек гейтового диэлектрика из 0,5 нм Al₂O₃ и 2,0 нм HfO₂ устанавливается для гарантии хорошего качества интерфейса, что может существенно снизить ток утечки и улучшить надежность гейтового диэлектрика. Источник электрода расположен на вершине плавкообразной структуры. В то же время он также находится рядом с одной стороной плавка и работает как «бэкгейт» для приложения нулевого смещения. Используя гейт и источник электроды с разными рабочими функциями металла, линейный туннельный переход может быть сформирован в бездопированном плавкообразном SiGe канале концепцией зарядной плазмы. Направление межзонного туннелирования (BTBT) перпендикулярно поверхности канал/гейт. Это может помочь увеличить I_ON за счет улучшения эффективной площади туннельного перехода.

Высокий коэффициент переключения (I_ON/I_OFF) может быть получен благодаря большому on-току (I_ON) и малому off-току (I_OFF), предоставляемым линейным туннельным переходом. Кроме того, применение плавкообразной структуры в DF-TFET может заметно уменьшить занимаемую площадь по сравнению с планарным линейным туннельным TFET. Рис. 1b показывает доступный производственный поток для формирования структуры DF-TFET. Таблица 1 показывает основные процессные параметры DF-TFET. Наконец, без трудности создания крутого и равномерного резкого p-n перехода можно достичь хорошей производительности устройства и надежности.

Для лучшего понимания различий и преимуществ DF-TFET, DL-TFET и TG-TFET, Рис. 2 показывает структуру этих трех устройств. С линейным туннельным переходом L-TFET и TG-TFET ожидают получить высокий on-ток. Но экспериментальные результаты показывают, что фактическая производительность L-TFET не такая высокая, как ожидалось. Одной из самых важных причин является трудность формирования крутого и равномерного резкого p-n перехода с идеальными интерфейсными характеристиками. Основываясь на структуре L-TFET, TG-TFET делает большое улучшение в I_ON. Но TG-TFET все еще сталкивается с трудностью формирования идеального резкого p-n перехода. Таким образом, для получения желаемой хорошей производительности крутой и равномерный резкий p-n переход, имеющий только несколько нанометров толщины, должен быть получен, но это очень трудно реализовать в производственном процессе. Используя бездопированный канал, DL-TFET может избежать эту проблему и принести лучшее качество интерфейса рядом с туннельным переходом. Однако по сравнению с линейными туннельными TFET с резкими p-n переходами, результат симуляции показывает, что I_ON DL-TFET относительно низок. Для дальнейшего улучшения DF-TFET предлагается и изучается в этой работе.

Симуляция DF-TFET проводится в инструментах Silvaco Atlas TCAD. Не-локальная модель BTBT вводится в эту симуляцию для учета пространственного изменения энергетической зоны, что может помочь улучшить точность процесса BTBT туннелирования. Модель подвижности Lombardi рассматривается для точности подвижности канала. Модель сужения запрещенной зоны учитывается для подгонки сильно допированных омических контактных областей, и модель рекомбинации Шокли-Реда-Холла также учитывается в этой работе.

Результаты и обсуждение

Механизм и сравнение DF-TFET, DL-TFET и TG-TFET

Рис. 3a показывает сравнение передаточных характеристик DF-TFET, DL-TFET и TG-TFET. Благодаря линейному туннельному переходу в плавкообразном SiGe канале DF-TFET достигает on-ток (I_ON) 58,8 мкА/мкм и достигает большой коэффициент переключения более 12 порядков величины, где не происходит очевидного амбиполярного эффекта. Более того, минимальный субпороговый наклон (SS_min) 2,8 мВ/дек и средний субпороговый наклон (SS_avg) 18,2 мВ/дек получены. В результате DF-TFET имеет очевидное улучшение в I_ON по сравнению с DL-TFET и субпороговый наклон по сравнению с TG-TFET. I_ON DF-TFET более чем на один порядок величины больше DL-TFET при V_DS = V_GS = 1 В. Рис. 3b показывает энергетическое условие DF-TFET и иллюстрирует формирование туннельного окна в плавкообразном канале. Красная пунктирная линия во вставке Рис. 3b показывает позицию, где получается кривая энергетической зоны.

Распределение важных физических величин в туннельном процессе DF-TFET показано на Рис. 4, включая распределение (a) потенциала, (b) e туннельной скорости, (c) общей плотности тока и (d) рекомбинационной скорости в on-состоянии рабочего условия. На Рис. 4a четкий градиент потенциала перпендикулярно интерфейсу гейт/канал можно наблюдать. Таким образом, огромная разность потенциалов генерируется в плавкообразном канале, и это будет модулировать концентрацию электронов и дыр на обеих сторонах плавкового канала. В то же время может быть сформирован крутой изгиб энергетической зоны в плавкообразном канале. В результате линейный туннельный переход параллельно интерфейсу гейт/канал может быть сформирован. Рис. 4b показывает e-туннельную скорость в плавкообразной структуре канала. Пиковое значение e-туннельной скорости равномерно распределено рядом с интерфейсом гейт/канал и параллельно поверхности. Это доказывает, что линейный туннельный переход параллелен интерфейсу гейт/канал. Рис. 4c показывает путь тока в DF-TFET. Электроны валентной зоны со стороны бэкгейт/канал туннелируют в зону проводимости рядом со стороной гейт/канал. Под влиянием гейтового напряжения и дренажного напряжения электроны движутся вдоль плавкового канала к дренажному электроду. Таким образом, путь туннельного тока формируется в DF-TFET. Рис. 4d показывает распределение рекомбинационной скорости в DF-TFET; это может иллюстрировать местоположение туннельного перехода более очевидно. Фиолетовая полоса в SiGe плавковом канале может представлять местоположение туннельного перехода.

DC характеристики с разными параметрами и аналоговая/РЧ производительность

Рис. 5a, b показывают входные и выходные характеристики DF-TFET под разными смещениями. Увеличение V_DS имеет малое влияние на субпороговые наклонные характеристики, но I_ON будет иметь линейный рост, пока V_DS увеличивается от 0,2 до 1,2 В (при V_GS = 1,0 В). Рис. 5c показывает частоту среза (f_T) и произведение усиления на полосу пропускания (GBW), рассчитанные по Уравнениям (2) и (3). Результат показывает, что частота среза 5,04 ГГц и произведение усиления на полосу пропускания 1,29 ГГц могут быть получены.

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)

Рис. 6a показывает влияние рабочей функции гейта (φ_Gate) и рабочей функции дрена (φ_Drain) на передаточные характеристики DF-TFET. С увеличением рабочей функции передаточная характеристика смещается в положительное направление. По мере изменения рабочей функции от 3,7 до 4,2 эВ V_th линейно увеличивается от 0 до 0,5 В, в то время как I_ON линейно уменьшается от 93,4 до 18,6 мкА/мкм. Это делает возможным регулировку V_th для применения к разным требованиям приложений. Рис. 6b показывает влияние соотношения состава X Si_1-XGe_X. Увеличение германиевого состава приводит к уменьшению энергетической запрещенной зоны и увеличению туннельного окна, как показано во вставке Рис. 6b. В конечном итоге приводит к увеличению I_ON и смещению передаточной характеристики в отрицательное направление. Однако когда X > 0,7, и передаточная характеристика, и I_ON мало меняются с увеличением X. Это потому, что канальная энергетическая структура становится нечувствительной к X когда X > 0,7, как показано во вставке Рис. 6b. Рис. 6c, d показывают влияние длины гейта (W_g) и толщины канала (H_c) на передаточные характеристики. Вставка Рис. 6c показывает размеры устройственного канала под разными W_g. Не трудно наблюдать из Рис. 6d, что DF-TFET будет страдать от уменьшения I_ON когда H_c становится и слишком малой, и слишком большой. Таким образом, правильный H_c будет способствовать производительности устройства.

Для понимания потенциала DF-TFET в ультра-низкопотребляющих приложениях Таблица 2 показывает сравнение производительности разных TFET с DF-TFET. По сравнению с TFET с традиционным сильно допированным p-n туннельным переходом, DF-TFET имеет очевидные преимущества в SS и коэффициенте переключения. Это связано с характеристиками DF-TFET, использующими электростатическое допирование. По сравнению с другими бездопированными TFET, DF-TFET имеет очевидные преимущества в I_ON. Это из-за улучшенной туннельной скорости за счет использования линейного туннельного перехода и SiGe материала. Комбинируя преимущества p-n туннельного перехода и бездопированного туннельного перехода, DF-TFET может обеспечивать высокий рабочий ток и низкое статическое энергопотребление в ультра-низкопотребляющих приложениях.

Заключение

В этой работе предлагается новый DF-TFET и электрические характеристики анализируются методом симуляции. Структурная характеристика, физический механизм, производительность с разными параметрами и аналоговая/РЧ производительность DF-TFET обсуждаются и изучаются. Благодаря бездопированной плавкообразной структуре канала, стеку гейтового диэлектрика, SiGe канальному материалу и высокоэффективному линейному туннельному переходу можно получить хорошую производительность в переключающих характеристиках и аналоговых/РЧ характеристиках. Более того, избегая формирования резкого p-n перехода в производственном процессе, можно достичь равномерного допирования с высокой согласованностью и высокой надежностью на флуктуации процесса. Результат симуляции показывает, что I_ON 58,8 мкА/мкм, коэффициент переключения 12 порядков величины, нет очевидного амбиполярного эффекта, SS_min 2,8 мВ/дек и f_T 5,04 ГГц могут быть достигнуты DF-TFET. С большим рабочим током, высоким коэффициентом переключения, крутым SS, хорошей надежностью, стабильным производственным процессом и хорошей производительностью, можно ожидать его как одного из перспективных кандидатов для будущих низкопотребляющих ИС и чувствительных сенсорных приложений.

Доступность данных и материалов

Не применимо (Данная рукопись является чисто теоретическим исследованием аналоговой/РЧ производительности TFET. Данные симуляции даны в этой рукописи и не подлежат описанию здесь).

Аббревиатуры

DF-TFET:

Бездопированный плавкообразный SiGe канал TFET

ICs:

Интегральные схемы

TGTFET:

T-образный гейт двойной источник TFET

DL-TFET:

Бездопированный TFET

I_ON:

On-ток

I_OFF:

Off-ток

SS_min:

Минимальный субпороговый наклон

SS_avg:

Средний субпороговый наклон

C_gg:

Гейтовая емкость

C_gd:

Гейт-сток емкость

f_T:

Частота среза

GBW:

Произведение усиления на полосу пропускания

λ:

Эффективная длина экранирования

m*:

Эффективная масса носителя

E_g:

Энергетическая запрещенная зона

ΔΦ:

Эффективное экранирующее энергетическое окно

W_g:

Длина гейта

W_Gap:

Длина зазора

T_ox:

Толщина стека гейтового оксида

H_c:

Толщина канала

φ_Gate/φ_Drain:

Рабочая функция гейта и дрена

V_DS:

Дренаж-источник напряжение

V_GS:

Гейт-источник напряжение