Оптимизация симметричных TFET с двусторонним управлением затвором: структурные параметры и двунаправленная характеристика

Аннотация

Предложен двусторонний затвором управляемый симметричный TFET с взаимозаменяемыми источником и стоком (B-TFET), обладающий преимуществом двунаправленных коммутационных характеристик и совместимости с CMOS-интегральными схемами по сравнению с обычными асимметричными TFET. Детально изучено влияние структурных параметров — легирования N⁺- и P⁺-областей, длин N⁺- и собственного (интринзик) областей — на характеристики устройства: передаточные характеристики, отношение I_on/I_off, субпороговый спад (SS), а также внутренние физические механизмы.

Введение

Потребление энергии — главная проблема микроэлектроники. В включенном состоянии ток должен достигать критического значения, соответствующее пороговому напряжению; в выключенном — напряжению выключения. Субпороговый спад (SS) характеризует изменение затворного напряжения для увеличения тока на порядок. Меньший SS означает более крутой субпорог, меньший ток утечки и статическое потребление. У MOSFET SS ограничен тепловым хвостом Максвелла-Больцмана и не может быть ниже 60 мВ/dec (точно 63 мВ/dec при 300 К). Для преодоления этого предела предложены туннельные полевые транзисторы (TFET) на кремнии. Обычный TFET формируется вставкой слаболегированного интринзик-слоя между p- и n-областями. В отличие от MOSFET, TFET управляется квантовым туннелированием через барьер, а не термоэмиссией над барьером, поэтому не ограничен 60 мВ/dec. Концепция предложена Chang et al. (IBM), впервые экспериментально показана Joerg Appenzeller et al. (IBM). TFET — энергоэффективные ключи, прорыв для снижения потребления ИС, технологически совместимы с MOSFET, кандидаты на замену MOSFET в следующих поколениях ИС.

Для улучшения SS, прямого тока и обратной утечки изучались оптимизация формы канала и затвора, материалов затвора с разными работами выхода и диэлектрическими постоянными, аналитические модели двойного и объемного затвора. Главный недостаток кремниевых TFET — малый прямой ток, определяемый эффективностью генерации туннельного тока. Эффективность повышают сужением запрещенной зоны в зоне туннелирования или уменьшением толщины туннельного слоя. Развиваются TFET на узкозонных полупроводниках, гетероструктурах, 2D-материалах как ультратонких туннельных слоях. Изучаются надежность: влияние легирования истока на переплетение зон, ловушково-ассистированное туннелирование, случайное легирование. Однако большинство работ касаются одиночных TFET. Главная цель — замена MOSFET базовой ячейкой с низким потреблением, что требует проверки совместимости в конкретных схемах. Начинаются исследования схемотехники на TFET: аналоговые/смешанные, цифровые, управления питанием, гибридные MOSFET/TFET. Но у обычных TFET источник и сток имеют противоположные типы легирования — асимметричная структура, не позволяющая полностью заменить MOSFET с его симметрией S/D.

Рассмотрим n-TFET: p-область — источник, n-область — сток. Для работы нужен положительный разность потенциалов сток-источник. Если поменять местами электроды (p-область выше потенциала), p-n-переход будет в прямом смещении, затвор теряет контроль, TFET почти всегда открыт. Асимметричная S/D структура делает невозможным использование TFET в схемах, требующих двунаправленного переключения (передаточные затворы). Для решения предложен симметричный S/D двунаправленный TFET (B-TFET) с преимуществами двунаправленного переключения и CMOS-совместимостью. В работе представлен модифицированный планарный B-TFET с двусторонним затвором. Детально проанализировано влияние ключевых параметров (легирование N⁺/P⁺, длины N⁺ и интринзик-области) на передаточные характеристики, I_on/I_off, SS и оптимизированы эти параметры.

Методы

Рис. 1a — вид сверху двустороннего n-TFET с планарным каналом. Рис. 1b — поперечный срез. В отличие от обычного TFET, B-TFET полностью симметричен: взаимозаменяемые P⁺-области источника/стока по бокам кремниевого тела, затворный электрод по обеим сторонам. Вся структура симметрична. N⁺-область в центре. L, W — общая длина и ширина. L_i — длина интринзик-области; L_N+ — длина N⁺-области; L_S/D, W_S/D — длина и ширина P⁺ S/D областей; T — толщина кремниевого тела; t_ox — толщина затвора оксида; t_i — толщина интринзик туннельной области между S/D и затворным оксидом.

В симуляции включены модели: Ферми-статистика, CVT подвижность, Оже-рекомбинация, сужение запрещенной зоны, стандартная модель межзонного туннелирования. Параметры устройства в Таблице 1.

Результаты и обсуждение

Влияние легирования N⁺-области (N_D = 10¹⁸–10²¹ см⁻³) (Рис. 2). Рис. 2a: с ростом N_D обратный ток утечки (при обратном смещении) сильно подавляется, прямой ток почти не меняется. Рис. 2b: SS и I_on/I_off тоже зависят от N_D. Подавление утечки снижает ток в статической точке, уменьшая средний SS. Прямой ток менее чувствителен, поэтому I_on/I_off растет с N_D. Рис. 2c,d: 2D распределение потенциала при обратном смещении для N_D = 10¹⁹ и 10²¹ см⁻³. При обратном смещении затвора возникает сильное поле между прямым смещением стока и обратным затвором, вызывая сильное межзонное туннелирование у стока. Сгенерированные электроны вытекают через сток, а дырки должны пройти через N⁺-область, интринзик-область источника и выйти через источник, формируя ток утечки. Для минимизации утечки дырки от туннелирования у стока должны быть эффективно заблокированы в N⁺-области. Более высокое N_D создает большую разность потенциалов между P⁺ и N⁺ (потенциал на границе интринзик/N⁺ растет), так как выше концентрация дает большую разность электронных концентраций источник-сток. Больше электронов диффундирует из N⁺ в интринзик-области, увеличивая положительный заряд (доноры) в N⁺ после ионизации и разность потенциалов P⁺/N⁺. Благодаря более высокому потенциалу N⁺ относительно обоих сторон, дырки от туннелирования у стока блокируются эффективнее, подавляя ток утечки.

Влияние длины N⁺-области (L_N+) (Рис. 3). Рис. 3a,b: обратный ток утечки сильно падает с ростом L_N+. SS и I_on/I_off улучшаются: ток в статической точке и средний SS снижаются, I_on/I_off растет. Рис. 3c,d: 2D распределение концентрации дырок при обратном смещении для L_N+ = 2 нм и 80 нм. При 2 нм минимальная концентрация дырок в N⁺ > 10¹⁷ см⁻³, при 80 нм < 10¹⁴ см⁻³. Увеличение L_N+ повышает способность блокировать прохождение дырок. Как неравновесные мажоритарные носители в N⁺, дырки рекомбинируют с электронами перед выходом, поэтому большая длина N⁺ также подавляет непрерывный ток утечки. Средний SS снижен до 40,2 мВ/dec, I_on/I_off превышает 10¹⁰.

Влияние длины интринзик-области (L_i) (Рис. 4). Рис. 4a,b: прямой ток падает с ростом L_i, так как сопротивление интринзик-области пропорционально длине. Для максимизации прямого тока L_i нужно минимизировать. Но уменьшение L_i усиливает поле в интринзик-области между P⁺ источником и N⁺, изгиб зон у источника больше, чем у стока, что индуцирует больше обратного тока утечки. Рис. 4c,d: 2D распределение потенциала при обратном смещении для L_i = 4 нм и 100 нм. При L_i = 4 нм поле у источника намного сильнее, чем у стока, ток утечки почти не зависит от затворного напряжения. Рис. 4b: оптимальный диапазон L_i ≈ 7–10 нм, где SS падает до минимума 41 мВ/dec, а I_on/I_off достигает максимума ~10⁸.

Влияние легирования P⁺-области (N_A) (Рис. 5). Рис. 5a: увеличение N_A дает меньший SS и больший прямой ток. Обратный ток утечки почти не зависит от N_A, но прямой ток растет. Рис. 5b: и SS, и I_on/I_off улучшаются с ростом N_A. Рис. 5c,d: 2D распределение электрического поля при обратном смещении для N_A = 10¹⁹ и 10²¹ см⁻³. Рост N_A усиливает поле в интринзик туннельной области, генерируя больше электрон-дырка пар через межзонное туннелирование, что повышает прямой ток.

Оптимизация (Рис. 6). N_D и N_A должны быть максимально возможными. Оптимальный L_i = 7–10 нм. Существует компромисс между статическим потреблением и L_N+. Рис. 6: передаточные характеристики оптимизированного B-TFET для разных L_N+. L_N+ выбирают по требованиям к статическому потреблению. В качестве компромисса для I_on/I_off > 10⁸ рекомендуется L_N+ > 20 нм. Прямой ток ~6×10⁻⁶ А, SS = 38 мВ/dec.

Заключение

Проанализированы структурные параметры и внутренние механизмы двустороннего затвором управляемого симметричного S/D двунаправленного TFET. Детально изучены концентрация и длина N⁺-области, длина интринзик-области между P⁺ и N⁺, концентрация P⁺-области. По сравнению с обычным TFET, B-TFET обладает сильной устойчивостью к обратному току утечки, что позволяет достичь низкого среднего SS и высокого I_on/I_off. Благодаря структурной симметрии и взаимозаменяемости источника/стока с двунаправленным переключением, B-TFET более совместим с CMOS-схемами.