Optimaliseren van bilateraal gate-gecontroleerde S/D-symmetrische TFETs: structurele parameters & bidirectionele prestaties

Samenvatting

In dit artikel wordt een bilateraal gate-gecontroleerde S/D-symmetrische en uitwisselbare bidirectionele tunnel veld-effect transistor (B-TFET) voorgesteld, die het voordeel biedt van bidirectionele schakelkarakteristieken en compatibiliteit met CMOS geïntegreerde circuits in vergelijking met conventionele asymmetrische TFETs. De effecten van structurele parameters, zoals de dotingconcentraties van de N⁺- en P⁺-regio, lengte van de N⁺-regio en lengte van de intrinsieke regio, op de deviceprestaties, zoals de overdraagskarakteristieken, I_on–I_off verhouding en subdrempelhelling, en het interne mechanisme worden gedetailleerd besproken en uitgelegd.

Inleiding

Energieverbruik is een van de belangrijkste problemen in de geïntegreerde circuitindustrie. Als een device in de aan-toestand werkt, moet de geleidingsstroom een bepaalde kritieke waarde bereiken; wanneer de stroom deze kritieke waarde bereikt, wordt de corresponderende gate-spanning gedefinieerd als de drempelspanning. Wanneer het device in de uit-toestand is, moet de corresponderende gate-spanning een andere waarde hebben dan in de kritieke aan-toestand, wat vaak de uit-toestandsspanning wordt genoemd. Het concept van subdrempelhelling (SS) is van toepassing op het device dat werkt tussen de uit-toestand en de kritieke aan-toestand, wat gelijk is aan de verandering in gate-spanning wanneer de stroom met een orde van grootte toeneemt. Wanneer het device goed ontworpen is, zijn de kritieke aan-toestandsstroomwaarde, drempelspanning en uit-toestandsspanning van het device bepaald; dan correspondeert een kleinere SS met sterkere stroomveranderingen in het subdrempelgebied, een kleinere statische stroom van het device in de uit-toestand, en lager statisch energieverbruik. De SS van metaal-oxide-halfgeleider veld-effect transistors (MOSFETs), die de basiseenheden zijn die wijd worden gebruikt in geïntegreerde circuits, wordt beperkt door het fysieke mechanisme van de stroom die gegenereerd wordt tijdens het werken van het device en kan niet lager zijn dan de limietwaarde van 60 mV/dec. Door deze beperking te doorbreken, is in de laatste jaren een tunnel veld-effect transistor (PIN of NIP TFETs) op basis van siliciumtechnologie voorgesteld. Een conventionele TFET wordt gevormd door een laag zwak gedopeerd intrinsiek halfgeleider toe te voegen tussen p- en n-type halfgeleidermaterialen. In vergelijking met MOSFET heeft de TFET de voordelen van hoge gevoeligheid en laag statisch energieverbruik [1]. TFET wordt geschakeld door quantumtunneling door een barrière te moduleren in plaats van thermionische emissie over een barrière te moduleren als in de traditionele MOSFET. Daardoor wordt TFET niet beperkt door de thermische Maxwell-Boltzmann staart van ladingsdragers, die de SS van MOSFET beperkt tot 60 mV/dec bij kamertemperatuur [2] (precies 63 mV/dec bij 300 K). Het concept werd voorgesteld door Chang et al. tijdens hun werk bij IBM [3]. Voor het eerst toonden Joerg Appenzeller en zijn collega's bij IBM aan dat de SS van TFET lager kan zijn dan 60 mV/dec. TFET kan gebruikt worden als energie-efficiënte elektronische schakelaars [4], wat de knelpunt van MOSFETs doorbreekt en het IC-energieverbruik aanzienlijk verlaagt. Het productieproces is compatibel met MOSFETs. Het is waarschijnlijk dat de TFET de MOSFET-transistor vervangt als basiseenheid van volgende generaties geïntegreerde circuits. Daarom zijn TFETs in de laatste jaren een warm onderwerp geworden [5, 6]. Om de prestaties van TFETs te verbeteren ten aanzien van SS, voorwaartseleidingstroom en omgekekte lekkagestroom, zijn veel studies uitgevoerd naar structuurontwerp en optimalisatie van TFET-devices, die zich voornamelijk richten op het verbeteren van de structuurvorm van het devicekanaal en de gate-elektrode [7,8,9,10,11,12] en de gate-dielectricummaterialen met verschillende werkfuncties. De karakteristiekanalyse en structuuroptimalisatie van het gate-dielectricum materiaal [13,14,15] en gate-dielectrica met verschillende dielectrische constanten zijn uitgevoerd [15,16,17,18,19,20]. In device-fysica is de analytische modellering van TFETs met dubbele-gatstructuur [21,22,23,24,25,26,27] en omringende-gatstructuur [28,29,30,31,32,33] uitgebreid uitgevoerd. Een nadeel van silicium-gebaseerde TFETs in vergelijking met MOSFETs is de kleinere voorwaartse stroom, en de grootte van de voorwaartse stroom wordt bepaald door de efficiëntie van de tunnelingstroomgeneratie. De tunnelingstroomgeneratie-efficiëntie kan verhoogd worden door het bandgat tussen valentieband en geleidingsband in het gebied dat gebruikt wordt om de band-naar-band tunnelingstroom te genereren te verkleinen, of door de dikte van het tunnelingsgebied te verkleinen. Daarom zijn in materiaalstechniek TFET-devices gebaseerd op smalle-bandgat halfgeleidermaterialen en heterostructuur-tunnelingsstructuren uitgebreid ontwikkeld [34,35,36,37,38]. Tegelijkertijd is de introductie van tweedimensionale materialen in TFETs als tunnelingslagen met ultradunne dikte uitgebreid bestudeerd [39,40,41,42,43,44]. Daarnaast hebben sommige papers de betrouwbaarheid van TFETs gerapporteerd, zoals het effect van bron-doting op tunnelingsbandgat-interleaving [45], het effect van val-geassisteerde tunneling op de subdrempelkarakteristieken van TFETs [46], en het effect van willekeurige doting op de deviceprestatieperturbatie [47]. Echter, de huidige onderzoeksresultaten richten zich voornamelijk op de basiewerkkarakteristieken en werkprincipes van enkele TFETs, en het belangrijkste fundamentele doel van het onderzoek en de ontwikkeling van TFETs is om een basestructuureenheid met lager energieverbruik te leveren en de bestaande MOSFET-structuur te vervangen. Om dit fundamentele doel te bereiken, moet het in een specifiek circuit worden geplaatst om de compatibiliteit met MOSFET-technologie te verifiëren. Op dit moment wordt onderzoek naar circuitontwerpstrategieën op basis van TFET-devices geleidelijk uitgevoerd, zoals analoog en gemengd signaal circuit [48,49,50], digitale logica circuit [50, 51], energiebeheer circuitontwerp [52]. Er zijn ook studies over het ontwerp van hybride circuits gebaseerd op MOSFETs en TFETs [53]. Echter, de dotingtypen van de bronregio en drainregio zijn tegenover elkaar, wat een asymmetrie van bron- en drainregio creëert. Deze asymmetrische structuur maakt het onmogelijk om MOSFET volledig te vervangen met de bron/drain-symmetrie.

Neem de n-type TFET als voorbeeld. De zijde met p-type onzuiverheid wordt gebruikt als bronregio, terwijl de andere zijde met n-type onzuiverheid als drainregio dient. Wanneer het device werkt, moet een positief potentiaalverschil worden toegepast van de drainregio naar de bronregio. Als de bron- en drainelektrode worden uitgewisseld, d.w.z. de p-type onzuiverheidsregio wordt ingesteld op een hoger potentiaal ten opzichte van de n-type onzuiverheidsregio, dan zal de PN-overgang gevormd door de p-type en n-type onzuiverheidsregio altijd in de voorwaartse bias-toestand zijn, wat het beheersfunctie van de gate-elektrode doet mislukken, de TFET bijna altijd in de aan-toestand zal zijn en niet kan worden uitgezet. Met andere woorden, het veroorzaakt de mislukking van de TFET-schakelfunctie. Met andere woorden, de circuitfunctionele modules (zoals transmissiepoorten), die de bidirectionele schakelkarakteristieken van transistors moeten gebruiken om normaal te werken, zijn moeilijk te realiseren met conventionele TFETs met een asymmetrische structuur van bron en drain. Om deze problemen op te lossen, hebben we een bron/drain-symmetrische en uitwisselbare bidirectionele TFET (B-TFET) voorgesteld [54], die het voordeel biedt van bidirectionele schakelkarakteristieken en compatibiliteit met CMOS geïntegreerde circuits in vergelijking met traditionele asymmetrische TFETs. In dit artikel stellen we een gewijzigde bilateraal gate-gecontroleerde B-TFET met een planair kanaal voor. De effecten van cruciale structurele parameters, zoals de dotingconcentraties van de N⁺- en P⁺-regio, lengte van de N⁺-regio en lengte van de intrinsieke regio, op de deviceprestaties, zoals de overdraagskarakteristieken, I_on–I_off verhouding en subdrempelhelling, worden gedetailleerd uitgelegd op basis van fysieke analyse. Daarna worden deze cruciale structurele parameters geoptimaliseerd.

Methoden

Figuur 1a toont een schematisch bovenaanzicht van de bilateraal gate-gecontroleerde N-type B-TFET met een planair kanaal. Figuur 1b toont een doorsnede van de bilateraal gate-gecontroleerde N-type B-TFET. In tegenstelling tot de conventionele TFET, is de voorgestelde B-TFET volledig symmetrisch, de bron/drain-uitwisselbare P⁺-gedopeerde regio's liggen aan elke zijde van het siliciumlichaam, en de gate-elektrode ligt aan beide zijden van het siliciumlichaam. De gehele devicestructuur is symmetrisch. De N⁺-gedopeerde regio bevindt zich in het centrale deel van het siliciumlichaam. L en W zijn respectievelijk de totale lengte en totale breedte van het voorgestelde device. L_i is de lengte van de intrinsieke regio; L_N+ is de lengte van de N⁺-regio; L_S/D en W_S/D zijn respectievelijk de lengte en breedte van de P⁺ bron/drain-uitwisselbare regio's; T is de siliciumlichaamdikte; t_ox is de dikte van de gate-oxide; t_i is de dikte van de intrinsieke tunnelregio tussen S/D-regio en gate-oxide.

In dit artikel worden alle fysische modellen zoals het Fermi-statistiekmodel, CVT-mobiliteitsmodel, Auger-recombinatiemodel, bandgatvernauwingsmodel en een standaard band-naar-band tunnelmodel ingeschakeld. Alle parameters van het device in dit artikel zijn vermeld in Tabel 1.

Resultaten en discussie

Figuur 2a, b tonen de overdraagskarakteristiek, I_on–I_off verhouding en gemiddelde SS met verschillende N_D (10¹⁸–10²¹ cm⁻³). In Fig. 2a beïnvloedt N_D de intensiteit van de omgekeerd gebiaste drain-naar-bron lekkagestroom. Met de toename van de dotingconcentratie wordt de lekkagestroom aanzienlijk onderdrukt, en de voorwaartse stroom verandert niet significant. In Fig. 2b worden de SS en I_on–I_off ook beïnvloed door N_D. Met de toename van de dotingconcentratie, omdat de omgekeerde lekkagestroom aanzienlijk wordt onderdrukt, daalt de stroom in het statische werkpunt, zodat de gemiddelde SS ook daalt. Omdat de voorwaartse stroom veel minder beïnvloed wordt dan de omgekeerde lekkage, neemt de I_on–I_off verhouding toe met de toename van de dotingconcentratie. Figuur 2c, d tonen de 2-dimensionale potentiäldistributies van de voorgestelde B-TFET met N_D gelijk aan 10¹⁹ cm⁻³ en 10²¹ cm⁻³, respectievelijk. Wanneer de gate-elektrode omgekeerd gebiaast is, wordt een sterk elektrisch veld gegenereerd tussen de voorwaarts gebiaste drainelektrode en de omgekeerd gebiaste gate-elektrode, wat resulteert in een sterke band-naar-band tunneling nabij de drainregio. Van de resulterende gegenereerde elektron-gat paren, kunnen de elektronen direct uit de drainelektrode vloeien, terwijl de valentiebandgaten door de N⁺-regio moeten stromen, vervolgens naar de intrinsieke regio aan de bronzijde en worden ontladen door de bronelektrode om de continue lekkagestroom te vormen. Om de lekkagestroom te minimaliseren, moeten de gaten geproduceerd door band-naar-band tunneling effectief worden geblokkeerd om uit de N⁺-regio te vloeien. In vergelijking met de N⁺-regio met lagere concentratie, vormt de N⁺-regio met hogere concentratie een groter potentiaalverschil tussen P⁺-regio en N⁺-regio, d.w.z. de potentiäwaarde aan de grens tussen de intrinsieke regio en de N⁺-regio neemt toe met de toename van N_D omdat de N⁺-regio met hogere concentratie een groter elektronconcentratieverschil tussen bron en drain kan produceren. Dan kunnen meer elektronen diffunderen van de N⁺-regio naar de intrinsieke regio's aan beide kanten van de N⁺-regio, wat de hoeveelheid positieve lading (voornamelijk samengesteld uit donor) in de N⁺-regio na ionisatie vergroot en daardoor het potentiaalverschil tussen de P⁺-regio en N⁺-regio vergroot. Precies omdat de N⁺-regio met hogere dotingconcentratie na ionisatie een hoger potentiaal heeft dan zowel de bron- als drainzijde, kunnen de gaten gegenereerd door band-naar-band tunneling nabij de drainregio effectiever worden geblokkeerd, wat de lekkagestroom effectiever vermindert.

Naast de dotingconcentratie van de N⁺-regio, is een andere cruciale parameter van de N⁺-regio die de omgekeerd gebiaste lekkagestroom aanzienlijk kan beïnvloeden, de lengte van de N⁺-regio. Figuur 3a, b tonen de I_ds–V_gs overdraagskarakteristieken van de voorgestelde B-TFET met verschillende L_N+. De omgekeerd gebiaste lekkagestroom neemt aanzienlijk af met toenemende L_N+. Zoals Fig. 2b toont, worden de subdrempelhelling en I_on–I_off ook beïnvloed door L_N+. Met de toename van L_N+, omdat de omgekeerde lekkagestroom aanzienlijk wordt onderdrukt, worden de stroom in het statische werkpunt en gemiddelde SS ook verlaagd. De voorwaartse stroom is veel minder beïnvloed dan de omgekeerde lekkage, en de I_on–I_off verhouding neemt toe met de toename van L_N+. Figuur 3c, d tonen de 2-dimensionale gatconcentratiedistributie van de voorgestelde B-TFET met L_N+ gelijk aan 2 nm en 80 nm, respectievelijk. Wanneer L_N+ gelijk is aan 2 nm, is de minimale gatconcentratie in de N⁺-regio groter dan 10¹⁷ cm⁻³, terwijl wanneer L_N+ gelijk is aan 80 nm, de minimale gatconcentratie minder dan 10¹⁴ cm⁻³ is. De toename van de lengte van de N⁺-regio verbetert de capaciteit om gaten te voorkomen door de N⁺-regio te passeren. Als een niet-evenwichtsminderheidsladingsdrager in de N⁺-regio, wanneer de N⁺-regio langer is, zullen meer gaten recombineren met elektronen voordat ze door de N⁺-regio passeren, dus de toename van de lengte van de N⁺-regio kan ook een continue omgekeerd gebiaste lekkagestroom vormen. De gemiddelde SS kan verlaagd worden tot 40,2 mV/dec, en de I_on–I_off verhouding kan 10¹⁰ overschrijden.

Figuur 4a, b tonen de I_ds–V_gs overdraagskarakteristieken en veranderingen in SS en I_on–I_off verhouding van de voorgestelde B-TFET met verschillende L_i, respectievelijk. De voorwaartse stroom neemt af met toenemende L_i omdat de weerstand van de intrinsieke regio evenredig is met de lengte ervan. Dan, om de voorwaartse stroom te maximaliseren, moet de lengte van de intrinsieke regio geminimaliseerd worden. Echter, de afname van de lengte van de intrinsieke regio versterkt het elektrisch veld in de intrinsieke regio tussen de bron P⁺-regio en de N⁺-regio, zodat de bandbuiging nabij deze regio groter is dan de intrinsieke regio nabij de drainelektrode, wat meer omgekeerd gebiaste lekkagestroom induceert. Figuur 4c, d tonen de 2-dimensionale omgekeerd gebiaste potentiäldistributie van de voorgestelde B-TFET voor L_i gelijk aan 4 nm en 100 nm, respectievelijk. Voor de kortste L_i (4 nm) geval, is het elektrisch veld in de intrinsieke regio tussen de bron P⁺-regio en de N⁺-regio nabij de bronelektrode veel sterker dan dat in de intrinsieke regio tussen de drain P⁺-regio en de N⁺-regio nabij de drainelektrode. Dan blijft de lekkagestroom bijna constant, wat onafhankelijk is van de verandering in gate-spanning. Figuur 4b toont dat de optimale waardebereik van L_i ongeveer 7–10 nm is, waar de SS daalt tot een dalwaarde van 41 mV/dec en de I_on–I_off verhouding stijgt tot een maximumwaarde van bijna 10⁸.

Figuur 5a, b tonen de I_ds–V_gs overdraagskarakteristieken en verandering in SS en I_on–I_off verhouding van de voorgestelde B-TFET met verschillende N_A. Figuur 5a toont dat door de concentratie van de P⁺-gedopeerde regio te verhogen, we een lagere SS en een grotere voorwaartse stroom kunnen verkrijgen. De omgekeerd gebiaste lekkagestroom wordt niet duidelijk beïnvloed door de verandering in N_A, maar de voorwaartse stroom kan worden verhoogd met de toename van N_A. In Fig. 5b kunnen zowel SS als I_on–I_off verhouding verbeterd worden door N_A te verhogen. Figuur 5c, d tonen de 2-dimensionale elektrisch velddistributie van de voorgestelde B-TFET met N_A gelijk aan 10¹⁹ cm⁻³ en 10²¹ cm⁻³, respectievelijk. De toename van N_A versterkt het elektrisch veld in de intrinsieke tunnelregio; dan kunnen meer elektron-gat paren gegenereerd worden door band-naar-band tunneling, wat de voorwaartse stroom van de voorgestelde B-TFET versterkt.

Volgens de bovenstaande discussie moeten zowel N_D als N_A ingesteld worden op de maximaal mogelijke waarde. De optimale waardebereik van L_i is 7–10 nm. Echter, er is een afweging tussen het statische energieverbruik en L_N+. Figuur 6 toont de I_ds–V_ds overdraagskarakteristieken van de geoptimaliseerde B-TFET met verschillende L_N+. L_N+ kan geselecteerd worden volgens verschillende statische energieverbruikontwerpeisen. Als compromis, om te garanderen dat de I_on–I_off verhouding boven 10⁸ blijft, wordt L_N+ aanbevolen om boven 20 nm te zijn. De aan-stroom is verhoogd tot ongeveer 6 × 10⁻⁶ A, en de SS is verlaagd tot 38 mV/dec.

Conclusies

In dit artikel worden de effecten van de structurele parameters en het interne mechanisme van een bilateraal gate-gecontroleerde S/D-symmetrische en uitwisselbare bidirectionele tunnel veld-effect transistor geanalyseerd. De effecten van cruciale parameters zoals de concentratie en lengte van de N⁺-regio, lengte van de intrinsieke regio tussen de P⁺- en N⁺-regio's, en concentratie van de P⁺-regio zijn gedetailleerd besproken. In vergelijking met de conventionele TFET, heeft de B-TFET het voordeel van sterke weerstand tegen de omgekeerd gebiaste lekkagestroom. Hierdoor kunnen goede prestaties zoals een lagere gemiddelde SS en een hogere I_on–I_off verhouding verkregen worden. Bovendien, door de structurele symmetrie en bron/drain-uitwisselbare en bidirectionele schakelkarakteristieken, is het compatibeler met het CMOS-circuit.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

We hebben een verklaring over beschikbaarheid van gegevens en materialen voor onszelf en namens onze co-auteurs opgenomen onder "Concurrerende belangen". Alle beschikbare gegevens en materialen zijn origineel werk. Alle gegevens zijn duidelijk verstrekt in het manuscript zonder aanvullende gegevens en ondersteunende materialen.

Afkortingen

L:

Totale lengte van het voorgestelde device

W:

Totale breedte van het voorgestelde device

L_i:

Lengte van de intrinsieke regio

L_N+:

Lengte van de N⁺-regio

L_S/D:

Lengte van de P⁺ bron/drain-uitwisselbare regio's

W_S/D:

Breedte van de P⁺ bron/drain-uitwisselbare regio's

T:

Siliciumlichaamdikte

t_ox:

Dikte van de gate-oxide

t_i:

Dikte van de intrinsieke tunnelregio tussen S/D-regio en gate-oxide

MOSFET:

Metaal-oxide-halfgeleider veld-effect transistor

TFET:

Tunnel veld-effect transistor