< Terug naar vorige pagina

Project

Inzetbaarheid van nanodraad tunnel-FETs met doperingsatomen voor toekomstige ultra-laag vermogen CMOS-applicaties.

Technologische innovaties, zoals de personal computer en de smartphone, hebben onze samenleving binnen een korte tijdsperiode getransformeerd naar het moderne Digitale Tijdperk. Deze innovaties zijn mogelijk gemaakt door consequent de metaal-oxide-halfgeleider-veldeffecttransistor (MOSFET) en de voedingsspanning van geïntegreerde schakelingen te schalen. Tegenwoordig verhindert de thermionische ondergrens van de subthreshold swing (SS) van MOSFET’s echter elke verdere verlaging van de voedingsspanning. Met als gevolg dat de conventionele MOSFET-schaling gestaag zijn einde nadert.

Steep-slope-componenten zijn een klasse van nieuwe transistortechnologieën die gekenmerkt worden door een lage SS en verdere verlagingen van de voedingsspanning mogelijk maken. De meest intensief bestudeerde steep-slope-component is de tunnel-veldeffecttransistor (TFET). De TFET is in wezen een gate-omhulde Esaki diode in een spertoestand die gebruik maakt van kwantummechanische band-tot-band tunneling (BTBT) om een sub-thermionische SS te verkrijgen. Een tweede, doch ietwat controversiëlere component is de steep-slope ferro-elektrische-veldeffecttransistor (SS-FeFET). De SS-FeFET is in feite een conventionele MOSFET met een ferro-elektrisch materiaal verwerkt in de gate structuur die het coherente schakelen van de polarisatie in de ferro-elektrische laag gebruikt om een sub-thermionische SS te verkrijgen.

Ondanks een decennium van intense onderzoeksinspanningen bestaat er echter nog steeds een aanzienlijke discrepantie tussen de theoretisch voorspelde en de experimenteel waargenomen performantie van TFET’s en SS-FeFET’s. Bijgevolg is het steeds duidelijker geworden dat het belangrijk is om ook het effect van component-niet-idealiteiten op te nemen in de performantievoorspellingen. In deze thesis onderzoeken, modelleren en/of kalibreren we daarom verschillende kritieke component-niet-idealiteiten in TFET’s en SS-FeFET’s.

In het eerste en voornaamste deel van deze thesis beginnen we met een onderzoek naar de variatie in temperatuursafhankelijkheid van de BTBT stroom tussen verschillende Esaki diode en TFET structuren, aangezien deze niet goed wordt begrepen. In het geval van conventionele Esaki diodes, vinden we dat de BTBT stroom quasi-temperatuuronafhankelijk is, hetgeen overeenkomt met de observaties in de literatuur. In tegenstelling tot wat gebruikelijk wordt aangenomen, tonen wij echter aan dat deze observatie niet kan veralgemeend worden naar TFET’s en niet-conventionele Esaki dioden, aangezien de BTBT stroom aanzienlijk temperatuurafhankelijker wordt.

Daaropvolgend onderzoeken we de impact van band-tails tunneling (BTT), die optreedt in TFET’s en Esaki diodes ten gevolge van de zeer hoge doperingconcentraties. We ontwikkelen een semi-klassiek model voor ballistische BTT door een fenomenologisch bandstructuurmodel voor de band-tails toestanden aan te nemen en door gebruik te maken van de Tsu-Esaki uitdrukking voor ballistisch transport. Vervolgens wordt ons ballistisch BTT stroommodel gekalibreerd aan de hand van de gemeten stroom-spanningskarakteristieken van meerdere hooggedopeerde III-V Esaki diodes. Dit stelt ons in staat om aan te tonen dat de discrepantie tussen de theoretisch voorspelde en de experimenteel waargenomen performantie van Esaki diodes kan worden verklaard door de hoge-dopering-geïnduceerde BTT mee in rekening te brengen.

Vervolgens gebruiken we ons gekalibreerde BTT stroommodel om de belangrijkste kenmerken van BTT in TFET’s te identificeren. Ons onderzoek toont aan dat het enkel mogelijk is om een onderscheid te maken tussen een TFET met een dominante BTT stroom en een TFET met een dominante defect-geassisteerde tunnelingsstroom door de uitgangskarakteristieken te analyseren. Ten slotte gebruiken we ons gekalibreerde model om de verwachte impact van BTT op de performantie en de SS van TFET’s te beoordelen en stellen vast dat deze beperkt blijft. Bijgevolg concluderen we dat de voorspelling blijft standhouden dat de TFET een voordeel heeft op de MOSFET bij lage voedingsspanningen, zelfs in aanwezigheid van BTT.

In het tweede deel van deze thesis onderzoeken we het thermodynamische evenwichtskader van ferro-elektrische heterostructuursystemen, zoals de SS-FeFET. We stellen formeel vast dat de Grootse Potentiaal de gepaste thermodynamische potentiaal is om de evenwichtstoestanden te analyseren van vrije-lading-geleidende ferro-elektrische systemen bij constante toegepaste spanning. We tonen eveneens aan dat de Gibbs Vrije Energie enkel de gepaste thermodynamische potentiaal is in het beperkende geval van perfect niet-geleidende systemen. Tenslotte tonen we aan dat elke vorm van vrije-lading accumulatie in het systeem de neiging heeft om het schakelen van de polarisatie in het ferro-elektrische materiaal te destabiliseren.

Datum:1 okt 2016 →  2 jun 2021
Trefwoorden:FET, Quantum-Mechanical, Tunnel FET, Ferroelectric, TFET
Disciplines:Nanotechnologie, Ontwerptheorieën en -methoden
Project type:PhD project