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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2018.tde-18012018-112959
Document
Author
Full name
Caio Cesar Mendes Bordallo
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2017
Supervisor
Committee
Agopian, Paula Ghedini Der (President)
Bellodi, Marcello
Galeti, Helder Vinicius Avanço
Onmori, Roberto Koji
Santos Filho, Sebastião Gomes dos
Title in Portuguese
Estudo do comportamento de transistores de tunelamento induzido por efeito de campo (TFET) operando em diferentes temperaturas.
Keywords in Portuguese
Nanotecnologia
Temperatura
Transistores
Abstract in Portuguese
Neste trabalho iniciou-se os estudos com transistores de tunelamento por efeito de campo (TFET) de silício (Si) em estruturas de nanofios (NW-TFET), analisando o efeito da redução do diâmetro dos nanofios, de 167 nm até 15 nm, através de analises baseadas em medidas experimentais e simulações numéricas. Para diâmetros maiores que 30 nm, os dispositivos são pouco influenciados pela redução do diâmetro. Para diâmetros menores que 30 nm, ao diminui-los, o tunelamento entre bandas (BTBT) passa a ser o mecanismo dominante, aumentando a corrente de dreno normalizada. Reduzindo o diâmetro em baixa condução, a maior parte da junção passa a ser dominada por BTBT, aumentando a eficiência devido ao melhor acoplamento eletrostático, reduzindo a inclinação de sublimiar (SS). A análise em diferentes temperaturas (de 10 K a 423 K) destes TFETs de estruturas de nanofios mostrou que o aumento da temperatura aumentou tanto a corrente de estado ligado (ION) quanto a de estado desligado (IOFF), sendo que o aumento de IOFF é responsável pela degradação da eficiência em baixa condução. Para melhorar o desempenho dos dispositivos TFET de Si, que possuem baixa corrente, foram utilizados dispositivos experimentais com fontes de Germânio (Ge) e de uma liga de Si e Ge (Si0,73Ge0,27). O aumento da concentração de Ge na fonte reduz a largura da banda proibida (EG), resultando em um aumento da corrente de BTBT nos dispositivos. Esse aumento da corrente de BTBT também aumenta a transcondutância (gm) e o ganho intrínseco de tensão (AV). Para melhorar ainda mais o desempenho dos TFETs, foram estudados novos dispositivos fabricado com Arseneto de Indio-Galio (InXGa1-XAs), com leiaute em anel, com comprimento de canal de 5 µm e largura de canal de 400 µm, utilizando dispositivos experimentais e simulados. O uso desse material gera um grande aumento de ION devido ao aumento considerável de BTBT, alcançando valores de SS próximos a 60mV/dec, valor muito menor que 200mV/dec obtido nos dispositivos de Si. Os dispositivos com InXGa1-XAs apresentaram alto AV (~50 dB) mesmo em baixas polarizações, sendo promissores em aplicações de baixa tensão e baixa potência. Aumento da concentração de In (In0,7Ga0,3As) reduz EG, aumentando BTBT. O aumento de BTBT aumenta gm, porém, aumenta também a condutância de saída (gD), aumentando AV para alto VGS e reduzindo para baixos VGS. A redução da espessura de HfO2, de 3nm para 2nm, resultou em melhoria em todos os dispositivos devido ao melhor acoplamento eletrostático, onde o dispositivo de In0,53Ga0,47As apresentou um SS de 56mV/dec. A temperatura influencia mais gD que gm, aumentando AV em baixas temperaturas. O uso de fonte gasosa na difusão de Zinco (Zn), no lugar de fonte sólida, resultou em uma junção mais abrupta, aumentando ION e melhorando SS. Pode-se obter um dispositivo otimizado utilizando In0,7Ga0,3As utilizando difusão de Zn na fonte por fase gasosa, para dispositivos que vão atuar em aplicações digitais, ou utilizando difusão de Zn na fonte por fonte sólida, para dispositivos que vão atuar em aplicações analógicas, ambos à 520ºC por 1 minuto, utilizando 2 nm de HfO2 na porta.
Title in English
Study of the behavior of tunnel field effect transistors (TFET) operating at different temperatures.
Keywords in English
Analog parameters
Band to band tunneling
Different materials
Nanowire
Temperature influence
TFET
Abstract in English
In this work, initially it was studied Silicon (Si) n type tunnel field effects transistors (TFET) in nanowire structures (NW-TFET), analyzing the diameter reduction effect of the nanowires, from 167 nm to 15 nm, using experimental measurements and numerical simulations. For diameters higher than 30 nm, the devices are less influenced by the diameter reduction. For diameters lower than 30 nm, decreasing the diameter, band-to-band tunneling (BTBT) start to become the dominant mechanism, increasing the normalized drain current. Reducing the diameter, in low conduction, the most of the junction becomes dominated by BTBT, increasing the transistor efficiency due to the better electrostatic coupling, reducing the subthreshold swing (SS). The analysis of this nTFETs at different temperatures (from 10 K to 423 K) showed that at high temperatures both the on and the off state current (ION and IOFF) of these NW-TFETs have raised, degrading SS, and consequently the efficiency at low conduction. In order to improve ION, which is very low in pure Si nTFETs, experimental devices using source made by Ge and Si0.73Ge0.27 was studied. The increase of the Ge concentration in the source reduces the bandgap results in higher BTBT current. This high BTBT current also lead the transconductance (gm) and the intrinsic voltage gain (AV) to increase. To further improve the TFETs performance, new devices made of InGaAs with ring layout, with channel length of 5 µm and channel width of 400 µm was studied, using experimental and simulated data. The use of InGaAs generates a large increase of ION due to its low bandgap, enabling to reach values of SS near 60 mV/dec, much steeper than the 200mV/dec obtained on Si nTFETs. These InGaAs nTFETs have presented high AV (~50 dB), even at low bias, being promising devices in low power low voltage applications. When increasing the In concentration in the InXGa1-XAs TFET the bandgap is reduced, improving the BTBT current. The BTBT raise leads both gm and the output conductance (gD) to increase, improving AV for high VGS bias and degrading it at low VGS bias. The reduction of the HfO2 thickness, from 3 nm to 2 nm, have resulted in improvement all devices due to the better electrostatic coupling, where the In0.53Ga0.47As device have presented SS of 56mV/dec. As the temperature have more influence in gD than gm, AV is improved at low temperatures. The use of gas phase Zn diffusion at the source doping, instead of solid source Zn diffusion, have increased ION and improved SS. The possibly reason to this behavior is the higher abruptness of the source/channel junction when using gas phase Zn diffusion. An optimized device can be obtained using a device with In0,7Ga0,3As with the source diffusion made by gas phase, for devices to be used in digital applications, or with the source diffusion made by solid source, for devices to be used in analog applications. Both diffusion process made at 520 ºC, using 2 nm of HfO2 in the gate stack.
 
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Publishing Date
2018-01-18
 
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