بخشی از مقاله
-1 مقدمه
یکی از اهداف مهم در طراحی افزاره های الکترونیکی، کاهش ابعاد آن ها است. در این راستا، محدود بودن شیب زیر آستانه به 60mV/dec در دمای اتاق محدودیتی اساسی محسوب میشود. این محدودیت به علت غالب بودن ساز و کار نفوذ در تزریق حامل ها است. گذار آرام از حالت خاموش به روشن، دستیابی به نسبت جریان روشن به جریان خاموش زیاد را مشکل میسازد. اولین بار در سال 2002، گپالاکریشنان و همکاران [1] افزارهی آی ماس را با شیب زیر آستانهی حدود 5mV/dec ارائه کردند.
این افزاره را میتوان به صورت یک دیود p-i-n که دارای گیت است، مدل سازی نمود. ساز و کار تولید حامل در این ساختار از نوع یونیزاسیون برخوردی است. در این افزاره گیت فقط بخشی از ناحیهی ذاتی را میپوشاند. به عبارت دیگر بخشی از فاصلهی بین سورس و درین بدون گیت است. این ناحیهی ذاتی بدون گیت، باعث القای شکست بهمنی در افزاره میشود. با اعمال ولتاژ به گیت میتوان میدان بین سورس و کانال را کنترل کرد. در ولتاژهای گیت کوچک انباشتگی حامل در زیر گیت وجود ندارد و طول موثر کانال، تمام ناحیهی ذاتی است. در این حالت قسمت کوچکی از VDS به ناحیهی ذاتی خارج از گیت اعمال میشود. با افزایش ولتاژ گیت حامل ها در زیر گیت انباشته شده و طول موثر کانال کاهش مییابد.
به این ترتیب قسمت بزرگتری از VDS به ناحیهی ذاتی خارج از گیت اعمال شده و باعث القای یونیزاسیون برخوردی در این ناحیه میشود. برای کاهش ولتاژ شکست چوی و همکاران [ 2] روش جدیدی برای بایاس کردن افزاره ارائه کردند. در این روش به جای اعمال ولتاژ صفر به سورس بسته به این که از نوع n یا p باشد، به آن ولتاژ منفی یا مثبت اعمال میشود. به این ترتیب ولتاژ VDS مورد نیاز کاهش مییابد.
گروه های مختلف دیگری نیز روی بهبود ساختار آی ماس کار کردهاند[3]،.[10] از جمله چالشهای موجود در این افزاره قابلیت اطمینان و ناپایداری ولتاژ آستانه است. برای رفع این مشکل ساختارهای آی ماس عمودی [4] و آی ماس با ناحیهی ذاتی L شکل [5] ارائه شده است. در این ساختارها محل تولید بیشینهی حامل از دیالکتریک گیت دور شدهاند. با کوچک کردن ابعاد افزاره، اندازهی ولتاژهای بایاس اعمالی نیز کوچک میشود. بنابراین کاهش ولتاژ شکست در افزاره ی آی ماس یکی از نیازهای آتی محسوب میشود. کاهش ابعاد افزاره، آن را نسبت به تونلزنی نوار به نوار آسیب پذیر میکند. این نوع تونل زنی باعث اتلاف توان میشود. بنابراین کاهش ولتاژ شکست و تونلزنی نوار به نوار از جمله چالشهای مهم در آی ماس محسوب میشوند.
در این مقاله یک آی ماس با ساختار نوار پلکانی ارائه شده است که ولتاژ شکست را نسبت به آی ماس 2/2 V Si کاهش داده و نسبت به تونلزنی نوار به نوار مقاوم تر کرده است. در بخش 2 ساختار آیماس با نوار پلکانی به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته و پارامترهای مورد استفاده در شبیه سازی ارائه شدهاند. همچنین مشخصهی الکتریکی ساختار GIMOS بررسی شده است. در بخش 3 ولتاژ شکست ساختار GIMOS با ساختارهای آی ماس Si و آی ماس SiGe مقایسه شده است و در بخش 4 جریان خاموش ساختار GIMOS بررسی شده است.
-2 ساختار افزاره و عملکرد آن
شمایی از ساختار پیشنهادی برای یک آی ماس نوع n در شکل 1 نشان داده شده است. به منظور کاهش جریان نشتی درین به بدنه و همچنین سورس به بدنه ساختار بر روی لایهی عایق در نظر گرفته شده است.[6] پارامترهای مورد استفاده در شبیهسازی در ساختار پیشنهادی عبارتند از: LG=Lin=50nm، Tox=3nm، Tsub=40nm، TBox=350nm است. همچنین نیمرخ توزیع ناخالصی برای نزدیک بودن به واقعیت به صورت گوسی با حداکثر آلایش 1020cm-3 در نظر گرفته شده است.
شبیه سازیها با استفاده از نرم افزار ATLAS انجام شده است. از آن جایی که نتایج تجربی گذشته صحت مدل میدان محلی- - Local Field - را برای یونیزاسیون برخوردی در ابعاد استفاده شده در این ساختار تایید کردهاند، در این شبیه سازیها نیز از این مدل استفاده شده است، که در آن ضرایب یونیزاسیون برخوردی به صورت نمایی به میدان الکتریکی وابستهاند. همچنین تونلزنی نوار به نوار نیز در مدلها لحاظ شده است.
همانطور که دیده میشود، GIMOS ساختار ناهمگونی است که در آن سورس و درین از دو مادهی متفاوت درست شدهاند. نحوهی انتخاب دو ماده به گونه ای است که شکاف انرژی متفاوتی با یکدیگر دارند . به دلایلی که در ادامه توضیح داده میشود، در آی ماس نوع n مادهی با شکاف انرژی بزرگتر در سمت سورس و مادهی با شکاف انرژی کوچکتر در سمت درین قرار میگیرد. در آیماس به دنبال مواد با قابلیت حرکت بالاتر هستیم. بنابراین میتوان از ساختارهای SiGe که نسبت به Si قابلیت حرکت بیشتری دارند، استفاده کرد. اما اگرچه Si0.5Ge0.5 قابلیت حرکت حامل بیشتری دارد، به علت شکاف انرژی کوچکتر در مقابل تونلزنی نوار به نوار آسیب پذیرتر است.
بنابراین در ساختارهای SiGe با محدودیت جدی در مورد مقیاس پذیری روبرو هستیم. به منظور افزایش قابلیت حرکت کانال و مدیریت تونلزنی نوار به نوار به طور همزمان، ساختار جدید GIMOS تعریف شده است. در یک ساختار آی ماس نوع n که دیود p-i-n آن به صورت معکوس بایاس میشود، فرآیند تونلزنی نوار به نوار در لبهی سورس و داخل ناحیهی ذاتی رخ می دهد که مقدار بیشینهی آن –به علت پیک میدان الکتریکی- در لبهی گیت اتفاق می افتد. به این ترتیب برای کاهش احتمال تونلزنی نوار به نوار در ساختار GIMOS سورس از جنس Si است که به علت شکاف انرژی بزرگتر نسبت به SiGe تونلزنی نوار به نوار را در لبه ی سورس کاهش میدهد.
به منظور جلوگیری از تونلزنی نوار به نوار در طول ناحیهی ذاتی، ساختار به گونهای طراحی شده است که شکاف انرژی آن به صورت تدریجی کاهش یابد - شکل . - 2 به این منظور x در Si1-xGex از 0 در لبهی سورس تا 0.5 در لبهی گیت افزایش مییابد. همان طور که در شکل 2 دیده میشود، شکاف انرژی از لبهی سورس تا لبهی گیت به صورت خطی کاهش مییابد. در شکل 3 شکاف انرژی ساختار GIMOS با ساختار آی ماس SiGe مقایسه شدهاند. همان گونه که در این شکل دیده میشود حامل ها در لبهی سورس و سراسر ناحیهی ذاتی بدون گیت با شکاف انرژی بزرگتری مواجهاند. بنابراین با مهندسی شکاف انرژی احتمال تونلزنی نوار به نوار در ساختار GIMOS کاهش مییابد.
در افزارهی آی ماس با ساختار نوار پلکانی به علت افزایش جزء مولی ژرمانیوم در Si1-xGex از x=0 در لبهی سورس تا x=0.5 در لبهی گیت، الکترون ها هنگام حرکت از سورس به سمت گیت، شکاف انرژی کوچکتری در مقابل خود میبینند و با توجه به انرژیای که از میدان می گیرند، زوج الکترون -حفره تولید میکنند. با نزدیک شدن به لبهی گیت و کاهش مداوم شکاف انرژی، با انرژی کمتری میتوان زوج الکترون-حفره تولید کرد. در شکل 4 نمودار جریان درین بر حسب ولتاژ گیت برای ساختار GIMOS دیده میشود. جریان خاموش آن از مرتبهی 10-13 A و جریان روشن از مرتبهی 10-3A است.
-3 ولتاژ شکست
در افزارهی آی ماس ولتاژ شکست ارتباط مستقیم با شکاف انرژی ماده دارد. هر چه شکاف انرژی ماده کوچکتر باشد، میدان مورد نیاز برای تولید زوج الکترون-حفره کمتر بوده و در نتیجه ولتاژ شکست آن کمتر است. با توجه به آزمایشهای انجام شده، ولتاژ شکل :3 نمودار نوار انرژی برای دو افزارهی GIMOS و .SiGe IMOS نمودارها در هر دو حالت با VG=0 V، VD=0 V و VS=-4 V رسم شدهاند. در شکل، سمت راست خط عمودی ناحیهی سیلیکنی و سمت چپ آن ناحیهی سیلیکن ژرمانیومی را در GIMOS نشان میدهد. در ساختار GIMOS حامل ها در لبهی سورس و طول ناحیهی ذاتی با شکاف انرژی بزرگتری مواجه هستند. بنابراین احتمال تونل زنی در ساختار GIMOS کاهش مییابد.
شکل :4 نمودار جریان درین بر حسب ولتاژ گیت برای GIMOS نوع .n جریان خاموش آن از مرتبهی 10-13A و جریان روشن از مرتبهی 10-3A است. شبیه سازی با Vs= -4.1V انجام شده است. در این حالت ولتاژ آستانه برابر با VT =0.5V است. شکست در GIMOS، VBr= - 4/3V است در حالیکه برای ساختار SiGe ، VBr= - 4/6V است. یعنی ولتاژ شکست این ساختار حتی از ولتاژ شکست ساختار SiGe که شکاف انرژی کوچکتری دارد، نیز کمتر است. علت این موضوع را میتوان از شکل 5 استنباط نمود. در این شکل نیمرخ توزیع میدان الکتریکی ساختار GIMOS و SiGe مقایسه شده است. همان طور که دیده میشود، میدان الکتریکی در طول ناحیهی ذاتی برای GIMOS بزرگتر است، به همین دلیل ولتاژ VDS مورد نیاز برای این ساختار کوچکتر است.
