Estudo de transistores de tunelamento induzido por efeito de campo (TFET) construídos em nanofio.

Esse trabalho de mestrado teve como estudo o transistor Túnel-FET (TFET) fabricado em estrutura de nanofio de silício. Este estudo foi feito de forma teórica (simulação numérica) e experimental. Foram estudadas as principais características digitais e analógicas do dispositivo e seu potencial para uso em circuitos integrados avançados para a próxima década. A análise foi feita através da extração experimental e estudo dos principais parâmetros do dispositivo, tais como inclinação de sublimiar, transcondutância (gm), condutância de saída (gd), ganho intrínseco de tensão (AV) e eficiência do transistor. As medidas experimentais foram comparadas com os resultados obtidos pela simulação. Através do uso de diferentes parâmetros de ajuste e modelos de simulação, justificou-se o comportamento do dispositivo observado experimentalmente. Durante a execução deste trabalho estudou-se a influência da escolha do material de fonte no desempenho do dispositivo, bem como o impacto do diâmetro do nanofio nos principais parâmetros analógicos do transistor. Os dispositivos compostos por fonte de SiGe apresentaram valores maiores de gm e gd do que aqueles compostos por fonte de silício. A diferença percentual entre os valores de transcondutância para os diferentes materiais de fonte variou de 43% a 96%, sendo dependente do método utilizado para comparação, e a diferença percentual entre os valores de condutância de saída variou de 38% a 91%. Observou-se também uma degradação no valor de AV com a redução do diâmetro do nanofio. O ganho calculado a partir das medidas experimentais para o dispositivo com diâmetro de 50 nm é aproximadamente 45% menor do que o correspondente ao diâmetro de 110 nm. Adicionalmente estudou-se o impacto do diâmetro considerando diferentes polarizações de porta (VG) e concluiu-se que os TFETs apresentam melhor desempenho para baixos valores de VG (houve uma redução de aproximadamente 88% no valor de AV com o aumento da tensão de porta de 1,25 V para 1,9 V). A sobreposição entre porta e fonte e o perfil de dopantes na junção de tunelamento também foram analisados a fim de compreender qual combinação dessas características resultariam em um melhor desempenho do dispositivo. Observou-se que os melhores resultados estavam associados a um alinhamento entre o eletrodo de porta e a junção entre fonte e canal e a um perfil abrupto de dopantes na junção. Por fim comparou-se a tecnologia MOS com o TFET, obtendo-se como resultado um maior valor de AV (maior do que 40 dB) para o TFET.

Caracterização elétrica de túnel-FET em estrutura de nanofio com fontes de SiGe e Ge em função da temperatura.

Este trabalho teve como objetivo estudar os transistores de tunelamento por efeito de campo em estruturas de nanofio (NW-TFET), sendo realizado através de analises com base em explicações teóricas, simulações numéricas e medidas experimentais. A fim de avaliar melhorar o desempenho do NW-TFET, este trabalho utilizou dispositivos com diferentes materiais de fonte, sendo eles: Si, liga SiGe e Ge, além da variação da espessura de HfO2 no material do dielétrico de porta. Com o auxílio de simulações numéricas foram obtidos os diagramas de bandas de energia dos dispositivos NW-TFET com fonte de Si0,73Ge0,27 e foi analisada a influência de cada um dos mecanismos de transporte de portadores para diversas condições de polarização, sendo observado a predominância da influência da recombinação e geração Shockley-Read-Hall (SRH) na corrente de desligamento, do tunelamento induzido por armadilhas (TAT) para baixos valores de tensões de porta (0,5V > VGS > 1,5V) e do tunelamento direto de banda para banda (BTBT) para maiores valores tensões de porta (VGS > 1,5V). A predominância de cada um desses mecanismos de transporte foi posteriormente comprovada com a utilização do método de Arrhenius, sendo este método adotado em todas as análises do trabalho. O comportamento relativamente constante da corrente dos NW-TFETs com a temperatura na região de BTBT tem chamado a atenção e por isso foi realizado o estudo dos parâmetros analógicos em função da temperatura. Este estudo foi realizado comparando a influência dos diferentes materiais de fonte. O uso de Ge na fonte, permitiu a melhora na corrente de tunelamento, devido à sua menor banda proibida, aumentando a corrente de funcionamento (ION) e a transcondutância do dispositivo. Porém, devido à forte dependência de BTBT com o campo elétrico, o uso de Ge na fonte resulta em uma maior degradação da condutância de saída. Entretanto, a redução da espessura de HfO2 no dielétrico de porta resultou no melhor acoplamento eletrostático, também aumentando a corrente de tunelamento, fazendo com que o dispositivo com fonte Ge e menor HfO2 apresentasse melhores resultados analógicos quando comparado ao puramente de Si. O uso de diferentes materiais durante o processo de fabricação induz ao aumento de defeitos nas interfaces do dispositivo. Ao longo deste trabalho foi realizado o estudo da influência da densidade de armadilhas de interface na corrente do dispositivo, demonstrando uma relação direta com o TAT e a formação de uma região de platô nas curvas de IDS x VGS, além de uma forte dependência com a temperatura, aumentando a degradação da corrente para temperaturas mais altas. Além disso, o uso de Ge introduziu maior número de impurezas no óxido, e através do estudo de ruído foi observado que o aumento na densidade de armadilhas no óxido resultou no aumento do ruído flicker em baixa frequência, que para o TFET, ocorre devido ao armadilhamento e desarmadilhamento de elétrons na região do óxido. E mais uma vez, o melhor acoplamento eletrostático devido a redução da espessura de HfO2, resultou na redução desse ruído tornando-se melhor quando comparado à um TFET puramente de Si. Neste trabalho foi proposto um modelo de ruído em baixa frequência para o NW-TFET baseado no modelo para MOSFET. Foram realizadas apenas algumas modificações, e assim, obtendo uma boa concordância com os resultados experimentais na região onde o BTBT é o mecanismo de condução predominante.

Method to Improve the Conversion Gain Flatness of Transformer-Coupled Mixers

A 4-10 GHz, on-chip balun based current commutating mixer is proposed. Tunable resistive feedback is used at the transconductance stage for wideband response, and interlaced stacked transformer is adopted for good balance of the balun. Measurement results show that a conversion gain of 13.5 dB, an IIP3 of 4 dBm and a noise figure of 14 dB are achieved with 5.6 mW power consumption under 1.2 V supply. The simulated amplitude and phase imbalance is within 0.9 dB and ±2◦ over the band.

Variable 360° Vector-Sum Phase Shifter With Coarse and Fine Vector Scaling

A CMOS vector-sum phase shifter covering the full 360° range is presented in this paper. Broadband operational transconductance amplifiers with variable transconductance provide coarse scaling of the quadrature vector amplitudes. Fine scaling of the amplitudes is accomplished using a passive resistive network. Expressions are derived to predict the maximum bit resolution of the phase shifter from the scaling factor of the coarse and fine vector-scaling stages. The phase shifter was designed and fabricated using the standard 130-nm CMOS process and was tested on-wafer over the frequency range of 4.9–5.9 GHz. The phase shifter delivers root mean square (rms) phase and amplitude errors of 1.25° and 0.7 dB, respectively, at the midband frequency of 5.4 GHz. The input and output return losses are both below 17 dB over the band, and the insertion loss is better than 4 dB over the band. The circuit uses an area of 0.303 mm2 excluding bonding pads and draws 28 mW from a 1.2 V supply.

The development of planar high-K/III-V p-channel MOSFETs for post-silicon CMOS

Conventional Si complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) scaling is fast approaching its limits. The extension of the logic device roadmap for future enhancements in transistor performance requires non-Si materials and new device architectures. III-V materials, due to their superior electron transport properties, are well poised to replace Si as the channel material beyond the 10nm technology node to mitigate the performance loss of Si transistors from further reductions in supply voltage to minimise power dissipation in logic circuits. However several key challenges, including a high quality dielectric/III-V gate stack, a low-resistance source/drain (S/D) technology, heterointegration onto a Si platform and a viable III-V p-metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor (MOSFET), need to be addressed before III-Vs can be employed in CMOS. This Thesis specifically addressed the development and demonstration of planar III-V p-MOSFETs, to complement the n-MOSFET, thereby enabling an all III-V CMOS technology to be realised. This work explored the application of InGaAs and InGaSb material systems as the channel, in conjunction with Al2O3/metal gate stacks, for p-MOSFET development based on the buried-channel flatband device architecture. The body of work undertaken comprised material development, process module development and integration into a robust fabrication flow for the demonstration of p-channel devices. The parameter space in the design of the device layer structure, based around the III-V channel/barrier material options of In_x≥0.53Ga_1-xAs/In_0.52Al_0.48As and In_x≥0.1Ga_1-xSb/AlSb, was systematically examined to improve hole channel transport. A mobility of 433 cm²/Vs, the highest room temperature hole mobility of any InGaAs quantum-well channel reported to date, was obtained for the In_0.85Ga_0.15As (2.1% strain) structure. S/D ohmic contacts were developed based on thermally annealed Au/Zn/Au metallisation and validated using transmission line model test structures. The effects of metallisation thickness, diffusion barriers and de-oxidation conditions were examined. Contacts to InGaSb-channel structures were found to be sensitive to de-oxidation conditions. A fabrication process, based on a lithographically-aligned double ohmic patterning approach, was realised for deep submicron gate-to-source/drain gap (L_side) scaling to minimise the access resistance, thereby mitigating the effects of parasitic S/D series resistance on transistor performance. The developed process yielded gaps as small as 20nm. For high-k integration on GaSb, ex-situ ammonium sulphide ((NH₄)₂S) treatments, in the range 1%-22%, for 10min at 295K were systematically explored for improving the electrical properties of the Al₂O₃/GaSb interface. Electrical and physical characterisation indicated the 1% treatment to be most effective with interface trap densities in the range of 4 - 10×10¹²cm^-2eV^-1 in the lower half of the bandgap. An extended study, comprising additional immersion times at each sulphide concentration, was further undertaken to determine the surface roughness and the etching nature of the treatments on GaSb. A number of p-MOSFETs based on III-V-channels with the most promising hole transport and integration of the developed process modules were successfully demonstrated in this work. Although the non-inverted InGaAs-channel devices showed good current modulation and switch-off characteristics, several aspects of performance were non-ideal; depletion-mode operation, modest drive current (I_d,sat=1.14mA/mm), double peaked transconductance (g_m=1.06mS/mm), high subthreshold swing (SS=301mV/dec) and high on-resistance (R_on=845kΩ.μm). Despite demonstrating substantial improvement in the on-state metrics of I_d,sat (11×), g_m (5.5×) and R_on (5.6×), inverted devices did not switch-off. Scaling gate-to-source/drain gap (L_side) from 1μm down to 70nm improved I_d,sat (72.4mA/mm) by a factor of 3.6 and gm (25.8mS/mm) by a factor of 4.1 in inverted InGaAs-channel devices. Well-controlled current modulation and good saturation behaviour was observed for InGaSb-channel devices. In the on-state In_0.3Ga_0.7Sb-channel (I_d,sat=49.4mA/mm, g_m=12.3mS/mm, R_on=31.7kΩ.μm) and In_0.4Ga_0.6Sb-channel (I_d,sat=38mA/mm, g_m=11.9mS/mm, R_on=73.5kΩ.μm) devices outperformed the InGaAs-channel devices. However the devices could not be switched off. These findings indicate that III-V p-MOSFETs based on InGaSb as opposed to InGaAs channels are more suited as the p-channel option for post-Si CMOS.

Trapping phenomena in AlGaN and InAlN barrier HEMTs with different geometries

PAPER Trapping phenomena in AlGaN and InAlN barrier HEMTs with different geometries S Martin-Horcajo1, A Wang1, A Bosca1, M F Romero1, M J Tadjer1,2, A D Koehler2, T J Anderson2 and F Calle1 Published 11 February 2015 • © 2015 IOP Publishing Ltd Semiconductor Science and Technology, Volume 30, Number 3 Article PDF Figures References Citations Metrics 350 Total downloads Cited by 1 articles Export citation and abstract BibTeX RIS Turn on MathJax Share this article Article information Abstract Trapping effects were evaluated by means of pulsed measurements under different quiescent biases for GaN/AlGaN/GaN and GaN/InAlN/GaN. It was found that devices with an AlGaN barrier underwent an increase in the on-resistance, and a drain current and transconductance reduction without measurable threshold voltage change, suggesting the location of the traps in the gate-drain access region. In contrast, devices with an InAlN barrier showed a transconductance and a decrease in drain associated with a significant positive shift of threshold voltage, indicating that the traps were likely located under the gate region; as well as an on-resistance degradation probably associated with the presence of surface traps in the gate-drain access region. Furthermore, measurements of drain current transients at different ambient temperatures revealed that the activation energy of electron traps was 0.43 eV and 0.38 eV for AlGaN and InAlN barrier devices, respectively. Experimental and simulation results demonstrated the influence of device geometry on the observed trapping effects, since devices with larger gate lengths and gate-to-drain distance values exhibited less noticeable charge trapping effects.