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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2016.tde-07072016-104740
Documento
Autor
Nome completo
Felipe Neves Souza
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2015
Orientador
Banca examinadora
Martino, João Antonio (Presidente)
Boudinov, Henri Ivanov
Onmori, Roberto Koji
Santos Filho, Sebastião Gomes dos
Torres, Katia Franklin Albertin
Título em português
Caracterização elétrica de túnel-FET em estrutura de nanofio com fontes de SiGe e Ge em função da temperatura.
Palavras-chave em português
Histerese
Influência da temperatura
Nanofio
Parâmetros analógicos
Ruído flicker
TFET
Transistores (Características; Medidas)
Tunelamento de banda para banda
Tunelamento induzido por armadilha
Resumo em português
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.
Título em inglês
Electrical characterization of vertical Tunel-FET with SiGe and Ge source as function of temperature.
Palavras-chave em inglês
Analog parameters
Band to band tunneling
Flicker noise
Hysteresis
Nanowire
Temperature influence
TFET
Trap assisted tunneling
Resumo em inglês
This work aims to study the nanowire tunneling field effect transistors (NW-TFET). The analyses were performed based on theoretical explanations, numerical simulations and experimental data. In order to improve the NW-TFET performance, it was used devices with different source compositions, such as Si, SiGe alloy and Ge, besides different thicknesses of HfO2 for the gate dielectric. With the aid of numerical simulations it was obtained the NW-TFET energy band diagrams and analyzed the influence of recombination and generation Shockley-Read-Hall (SRH) on the off current, the influence of the trap assisted tunneling (TAT) at low gate voltage bias (0,5V > VGS > 1,5V) and the direct band to band tunneling (BTBT) at higher gate voltage bias(VGS > 1,5V). The predominance of each conduction mechanisms was confirmed by the Arrhenius plot method, being this method adopted in all analysis in this work. The constant current with the temperature in the BTBT region has drawn attention and due to that, this work have studied the NW-TFET analog performance as function of temperature and also the influence of the source composition. The Ge source device shows an improved tunneling current, related to the bandgap narrowing, which leads to higher ION and transconductance. However, due to the strong BTBT dependence with the electric field, the use of Ge as source results in further ION/IOFF degradation. Despite this, the reduced HfO2 thickness in the gate dielectric, results in better electrostatic coupling, which also increases the tunneling current, making this device to present better analog performance when compared to devices with Si source. The use of different materials during the device fabrication leads to an increase of the interface defects. This work presented the influence of the interface trap density on the current, showing a direct relation with TAT and appearance of a plateau region in the IDS x VGS curves. In addition it was shown a strong temperature dependence increasing the current degradation at higher temperatures. Furthermore, the use of Ge has shown an increase of impurities in the oxide, and through the noise study it was observed the flicker noise increase at low frequency, which for TFETs, occurs due to the electrons trapping and detrapping in the oxide region. Once again, the reduced HfO2 thickness leads to better electrostatic coupling, resulting in noise reduction and becoming better when compared to a devices with Si source. In this work was proposed a low frequency noise model for a NW-TFET based on MOSFET models. Minor changes have been done, and thus a good agreement with the experimental results in the region where the BTBT is predominant conduction mechanism was obtained.
 
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Data de Publicação
2016-07-08
 
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  • Martino, Márcio Dalla Valle, et al. Nanowire Tunnel Field Effect Transistors at High Temperature. JICS. Journal of Integrated Circuits and Systems (Ed. Português), 2013, vol. 8, p. 110-115.
  • M. A. S. de Souza, et al. Comparative Study of Biaxial and Uniaxial Mechanical Stress Influence on the Low Frequency Noise of Fully Depleted SOI nMOSFETs Operating in Triode and Saturation Regime. In Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2012, Brasília, 2012. ECS Transactions.Pennington, New Jersey : The Electrochemical Society, 2012.
  • SOUZA, F. N., et al. Influence of interface trap density on vertical NW-TFETs with different source composition. In EUROSOI 2013 - IX Workshop of the Thematic Network on Silicon On Insulator Technology, Devices and Circuits, Paris, França, 2013. EUROSOI 2013 - Conference Proceedings., 2013.
  • SOUZA, F. N., et al. Temperature Influence on Nanowire Tunnel Field Effect Transistors. In Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2012, Brasília, 2012. ECS Transactions.Pennington, New Jersey : The Electrochemical Society, 2012.
  • AGOPIAN, P. G. D., et al. Back Bias Influence on Analog Performance of pTFET. In IEEE SOI-3D-Subthreshold Microelectronics Technology Unified Conference S3S, Monterey, California, 2013. Proceedings of IEEE S3S. : IEEE, 2013.
  • AGOPIAN, P. G. D., et al. NW-TFET Analog Performance for Different Ge Source. In IEEE SOI-3D-Subthreshold Microelectronics Technology Unified Conference S3S, Monterey, California, 2013. Proceedings of IEEE S3S. : IEEE, 2013.
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