Hoog-Presterende Analog/RF T-vormige Gate Dubbele-Bron Tunnel Veld-Effect Transistor

Samenvatting

In deze studie introduceren we een silicium-gebaseerde T-vormige gate dubbele-bron tunnel veld-effect transistor (TGTFET) en evalueren de prestaties met gedetailleerde TCAD-simulaties. Een vergelijkende analyse met de conventionele L-vormige (LTFET) en U-vormige (UTFET) TFETs wordt uitgevoerd, waarbij de voordelen van het TGTFET-ontwerp worden benadrukt. De T-vormige gate introduceert een gate-overlap die het elektrische veld bij de tunneljunctie versterkt, terwijl de dubbele-bron-architectuur de effectieve tunnelarea verdubbelt. Door een n⁺-zak te incorporeren, wordt de band-naar-band-tunnel (BTBT) snelheid verder verhoogd. Simulatieresultaten tonen aan dat de TGTFET een on-state-stroom van 81 µA/µm en een on/off-verhouding van 6,7 × 10¹⁰ bereikt bij een gate-naar-bron-bias van 1 V. De gemiddelde subdrempelhelling (SS_avg) over 0-0,5 V is 51,5 mV/dec, met een minimum swing (SS_min) van 24,4 mV/dec bij 0,1 V. Het apparaat vertoont sterke weerstand tegen drain-geïnduceerde barrière-verlaging (DIBL). Belangrijke analoge/RF-metrieken - transconductantie (gₘ) van 232 µS/µm, uitgangsgeleiding (g_ds) van 214 µS/µm, gate-naar-bron-capaciteit (C_gs) van 0,7 fF/µm, gate-naar-drain-capaciteit (C_gd) van 3,7 fF/µm, afsnijfrequentie (f_T) van 11,9 GHz, en winst-bandbreedteproduct (GBW) van 2,3 GHz - worden allemaal bereikt bij een drain-naar-bron-spanning van 0,5 V. Vergeleken met UTFET en LTFET levert de TGTFET superieure DC- en AC-karakteristieken, wat het positioneert als een overtuigende kandidaat voor next-generation laag-vermogen en analoge/RF-toepassingen.

Achtergrond

Voortdurende schaling van metaal-oxide-halfgeleider veld-effect-transistoren (MOSFETs) heeft historisch verbeteringen in stroom-efficiëntie, schakelsnelheid en apparaatdichtheid gedreven. Echter, de onvermijdelijke afweging tussen voedingsspanningsverlaging en lekkagestromen (I_OFF) leidt tot stijgende standby-stroom, terwijl korte-kanaal-effecten (SCEs) betrouwbaarheid degraderen. Om deze uitdagingen te tegengaan, hebben onderzoekers zich gericht op het verlagen van subdrempelhelling (SS) en werkspanning. Tunnel veld-effect-transistoren (TFETs), die band-naar-band-tunneling benutten, kunnen SS < 60 mV/dec bereiken, wat sub-0,2 V operatie en aanzienlijk lagere I_OFF mogelijk maakt.

TFETs zijn met name aantrekkelijk voor laag-vermogen digitale logica en opkomende analoge/RF-schakelingen. Toch lijden conventionele P-I-N TFETs onder beperkte tunnelarea, wat de on-state-stroom (I_ON) beperkt. Recente structurele innovaties - zoals de L-vormige (LTFET) en U-vormige (UTFET) gates - hebben de tunnelinterface uitgebreid, I_ON verhoogd terwijl compactheid behouden werd. Niettemin zijn verdere prestatieverbeteringen en gedetailleerde analoge/RF-karakteriseringen essentieel.

We voeren een T-vormige gate dubbele-bron TFET (TGTFET) in die de tunnelarea verdubbelt ten opzichte van LTFET en UTFET en gate-overlap introduceert om het elektrische veld te verscherpen. Onze TCAD-studie toont aan dat dit ontwerp hogere I_ON, sub-60 mV/dec SS en superieure analoge/RF-cijfers oplevert.

Methoden

De TGTFET-structuur is geïllustreerd in Fig. 1. De gate vormt een "T"-vorm (groene regio), overlappend zowel verticale als laterale n⁺-zakken (geel) om het elektrische veld bij de tunnelinterface te versterken. Dubbele brongebieden flankeren de gate (saffier), terwijl een n⁺-drain zich onder het kanaal bevindt. Deze configuratie vergroot de effectieve tunnelarea en versterkt de bandbuiging, wat de BTBT-snelheid verhoogt.

Schematisch van de voorgestelde T-vormige gate dubbele-bron tunnel veld-effect transistor (TGTFET)

Figuur 2 vergelijkt de TGTFET, UTFET en LTFET structuren. De gate-overlap in TGTFET verhoogt de tunneling-efficiëntie, en de dubbele-bron-regeling verdubbelt de junctie-area ten opzichte van de andere ontwerpen.

Vergelijking van a de voorgestelde TGTFET, b UTFET, en c LTFET

Belangrijke simulatieparameters zijn: H_s = 30 nm, H_g = 40 nm, W_g = 6 nm, H_c = 15 nm, T_p = 5 nm, φ = 4,33 eV, T_ox = 2 nm (HfO₂), N_S = 1 × 10²⁰ cm⁻³, N_D = 1 × 10¹⁹ cm⁻³, N_sub = 1 × 10¹⁷ cm⁻³, N_P = 5 × 10¹⁸ cm⁻³. Alle apparaten delen een 1 µm breedte in simulatie.

Simulaties werden uitgevoerd met Silvaco Atlas met behulp van een niet-lokaal BTBT-model, Lombardi-mobiliteit, Fermi-statistieken, bandgap-vernauwing en Shockley-Read-Hall-recombinatie om de fysica nauwkeurig vast te leggen.

Resultaten en Discussie

Apparaatmechanisme en DC-Kenmerken met Verschillende Parameters

Figuur 3a toont de overbrengkurven van TGTFET met en zonder gate-overlap. De overlap verhoogt I_ON van 7,5 × 10⁻⁵ tot 8,1 × 10⁻⁵ A/µm bij V_g = V_d = 1 V. Figuur 3b vergelijkt TGTFET, UTFET en LTFET onder identieke geometrie. TGTFET levert een tweevoudig I_ON-voordeel, met SS_min = 24,4 mV/dec bij V_g = 0,1 V en SS_avg = 51,5 mV/dec over 0-0,5 V. On/off-verhoudingen bereiken 6,7 × 10¹⁰ (V_g = V_d = 1 V) en 6,5 × 10⁸ (V_g = V_d = 0,5 V).

Gesimuleerd a overbrengkenmerken van TGTFET met/zonder gate-overlap en b overbrengkenmerken van TGTFET, UTFET en LTFET

Figuur 4 illustreert de BTBT-snelheid voor TGTFET met en zonder een 5-nm gate-overlap. De overlap vergroot de tunnelarea, wat direct vertaalt naar hogere I_ON.

Gesimuleerde BBT elektronen-tunnelsnelheidsdiagrammen van a apparaat zonder gate-overlap, b apparaat met 5-nm gate-overlap, en c de BBT elektronen-tunnelsnelheid van twee apparaten, op 1 nm onder het apparaatoppervlak; V_g = V_d = 1 V

Figuur 5 presenteert 3D elektrisch-veldkarten. Met een 5-nm overlap verschijnen twee uitgesproken veldpieken, afwezig in het overlap-vrije geval. De geassocieerde bandstructuur, getoond in Fig. 5c, onthult een groter tunnelvenster, wat de verhoogde BTBT-snelheid en I_ON verklaart.

3D-schemadiagram van elektrische velden van het apparaat a met overlap en b zonder overlap; gesimuleerd c energiebanddiagrammen van bron naar zakgebied (1 nm onder de oxide-interface)

Figuur 6 verkent de invloed van de n⁺-zak. Verhoging van zak-doping verhoogt I_ON scherp (Fig. 6a). Vermindering van zak-dikte van 7 naar 3 nm bij een vaste doping van 5 × 10¹⁸ cm⁻³ verbetert SS en I_ON (Fig. 6b) zonder significante subdrempel-lekkage, wat aangeeft dat een lichtere zak-doping off-state BTBT onderdrukt.

Gesimuleerde drainstromen met verschillende n⁺-zak a concentraties en b diktes bij V_d = 1 V

Figuur 7 onderzoekt gate-hoogte (H_g) en kanaaldikte (H_c). Een bescheiden toename van H_g verlicht een energieband-bult die elektronentransport belemmert (Fig. 7c), wat I_ON en SS verbetert. Vermindering van H_c verbetert I_ON lichtjes (Fig. 7b), maar verdere reductie tot 5 nm activeert ernstige subdrempel-lekkage (Fig. 8), aangezien de hoek-BTBT-stroom domineert.

Gesimuleerde overbrengkenmerken van TGTFET met a verschillende H_g, b verschillende H_c, en c de geleidingsband-bult op de stroompad

Gesimuleerde diagrammen van off-state a BTBT elektronen-tunnelsnelheid en b stroomdichtheid wanneer H_c = 5 nm

Figuur 9 onderzoekt drain-naar-bron-spanning (V_d). Voor V_d < 0,6 V stijgt I_ON scherp met V_d door verminderde kanaalweerstand. Boven 1,8 V verzadigt I_ON terwijl I_Ooescalereert omdat hoek-BTBT wordt geïntensificeerd. In het intermediaire bereik (0,6-1,8 V) toont de TGTFET robuuste, stabiele prestaties en sterke DIBL-immuniteit.

Gesimuleerde drainstromen voor a V_d ≤ 1 V en b V_d ≥ 1 V

Analoge/RF-Prestaties van TGTFET, UTFET en LTFET

Figuur 10 toont de overbrengkurven en transconductantie (gₘ) van de drie apparaten bij V_d = 0,5 V. TGTFET bereikt een piek gₘ van 232 µS/µm - bijna het dubbele van UTFET (120 µS/µm) en LTFET (110 µS/µm) - dankzij de dubbele-bron en gate-overlap.

a Overbrengkenmerken en b transconductantiekurven van TGTFET, UTFET en LTFET bij V_d = 0,5 V

Figuur 11 illustreert uitgangskarakteristieken, uitgangsgeleiding (g_ds) en uitgangsimpedantie (R_o). TGTFET's uitgangsstroom verdubbelt die van UTFET en LTFET, en de g_ds piekt op 214 µS/µm met R_o = 4,6 kΩ/µm bij V_d = 0,45 V. Het niet-lineaire R_o vs. V_d gedrag ontstaat uit de wisselwerking tussen thermische-excitatie over de drainbarrière en tunnel-beperkte geleiding, een fenomeen eerder gerapporteerd in TFET-literatuur.

a Uitgangskarakteristieken, b uitgangsgeleiding (g_ds), en c uitgangsimpedantie (R_o) kurven van TGTFET, UTFET en LTFET

Capaciteitsanalyse (Fig. 14) toont aan dat C_gs verwaarloosbaar is ten opzichte van C_gd; dus de totale gate-capaciteit (C_gg) wordt gedomineerd door C_gd. Onder V_d = 0 V stijgt C_gg scherp met V_g door elektronenaccumutatie in het kanaal. Bij V_d = 0,5 V blijft C_gd plat tot V_g 0,6 V overschrijdt, wat de beperkte elektronenopvang in het kanaal bij lage gate-bias weerspiegelt.

Capaciteit van TGTFET versus V_g onder a V_d = 0 V en b V_d = 0,5 V. Capaciteit van UTFET versus V_g onder c V_d = 0 V en d V_d = 0,5 V. Capaciteit van LTFET versus V_g onder e V_d = 0 V en f V_d = 0,5 V

Figuur 15 bevestigt dat C_gd voor alle drie apparaten afneemt met toenemende V_d bij een vaste V_g, terwijl het stijgt met V_g bij een vaste V_d.

C_gd-karakteristieken van a TGTFET, b UTFET, en c LTFET versus V_d onder verschillende V_g

Afknipfrequentie (f_T) en winst-bandbreedteproduct (GBW) worden berekend via f_T = gₘ/(2πC_gg) en GBW = gₘ/(2π10C_gd). Figuur 16 toont dat TGTFET f_T = 11,9 GHz en GBW = 2,3 GHz bereikt bij V_d = 0,5 V - UTFET (4,1 GHz, 0,5 GHz) en LTFET (8,7 GHz, 2,1 GHz) overtreffend. De superieure frequentierespons komt voort uit de dubbele-bron-architectuur en verminderde C_gg.

De karakteristieke kurven van a f_T en b GBW van TGTFET, UTFET en LTFET versus V_g bij V_d = 0,5 V

Conclusies

We hebben een silicium-gebaseerde TGTFET geïntroduceerd met een T-vormige gate en dubbele-bron-architectuur. Deze configuratie verdubbelt de tunneljunctie-area en, via gate-overlap, verscherpt het elektrische veld, wat resulteert in I_ON = 8,1 × 10⁻⁵ A/µm, I_ON/I_OFF = 6,7 × 10¹⁰ en SS_min = 24,4 mV/dec. Het apparaat toont sterke DIBL-weerstand en behoudt prestaties over een breed V_d-bereik. Analoge/RF-analyse toont gₘ = 232 µS/µm, g_ds = 214 µS/µm, C_gg ≈ 3,7 fF/µm, f_T = 11,9 GHz en GBW = 2,3 GHz - UTFET en LTFET overtreffend. Deze resultaten bevestigen dat de TGTFET een veelbelovende kandidaat is voor toekomstige laag-vermogen en hoge-frequentie-toepassingen.

Afkortingen

C_gd :

Gate naar drain capaciteit

C_gs :

Gate naar bron capaciteit

f_T :

Afknipfrequentie

GBW:

Winst-bandbreedte

g_ds :

Uitgangsgeleiding

g_m :

Transconductantie

Hc:

Hoogte van de kanaallaag

Hg:

Hoogte van de gate-elektrode

Hs:

Hoogte van de bronlaag

LTFET:

L-vormige gate tunnel veld-effect transistor

N_D :

Dopingsconcentratie van n⁺ drain

N_P :

Dopingsconcentratie van n⁺ zak

N_S :

Dopingsconcentratie van p⁺ bron

N_sub :

Dopingsconcentratie van p⁻ substraat

R_o :

Uitgangsimpedantie

TGTFET:

T-vormige gate dubbele-bron tunnel veld-effect transistor

Tox:

Dikte van de HfO₂ gate-dielectrisch

Tp:

Dikte van n⁺ zak

UTFET:

U-vormige gate tunnel veld-effect transistor

V_d :

Drain naar bron spanning

V_g :

Gate naar bron spanning

Wg:

Breedte van de gate-elektrode