بخشی از مقاله
چکیده -در این مقاله ساختاری معرفی شدهاست که در آن بوسیله ایجاد تغییر در شکل عایق گیت نرخ جریان مد روشن به خاموش درترانزیستورهای نانوسیمی بدون پیوند - JNT - بمقدار زیادی بهبود داده شدهاست. نشان داده شده است که ایجاد تغییرات کنترل شده در ضخامت عایق میتواند نرخ تونل زنی باند به باند - BTBT - را از مقدار 1025 cm-3.s-1 به 1021 cm-3.s-1 کاهش دهد. به دلیل اینکه در JNT نرخ BTBT سهم زیادی از جریان نشتی را به خود اختصاص میدهد، از اینرو کاهش آن میتواند تاثیر چشمگیری بر Ioff ترانزیستور داشته باشد. دراین تحقیق از نرمافزار Sentaurus TCAD H-2013-03 برای شبیه سازی افزارههای ارائه شده و تایید نتایج، استفاده شده است.
-1 مقدمه
ترانزیستورهای نانوسیمی بدون پیوند که اخراًی پیشنهاد شدهاند نوید دهنده رفع مشکلات موجود بر سر راه کوچکسازی ترانزیستورهای فلز-اکسید-نیمههادی اثر میدانی هستند.[1]
JNT ها - Junctionless Nanowire Transistor - از یک لایه بسیار نازیک نیمههادی ساخته میشوند که آن را با مقدار زیادی از ناخالصی تغلیظ نمودهاند. میزان ناخالصی در تمامی نواحی سورس، درین و کانال یکسان و یکنواخت است و هیچ پیوندی وجود ندارد.
از یک لایه نازک عایق به عنوان دیالکتریک گیت و یک فلز به عنوان الکترود گیت ا ستفاده می شود و فرایند ساخت JNTها بطور کامل با فرایند ساخت ترانزی ستورهای فلز-اک سید-نیمه هادی مطابقت دارد. ازجمله مزایای این ترانزیستورها در مقایسه با ترانزیستورهایمعمولِ دارای پیوند و عمل کننده در مد معکوس شدگی - Invesion Mode - میتوان به موارد زیر اشاره نمود - 1 :[2]قابلیت کوچکسازی بالا - 2کاهش پیچیدگیهای فرایند ساخت 3 - کاهش میدان الکتریکی، هنگامی که افزاره در حالت روشن قرار دارد - 4تنظیم ولتاژ آستانه هدایت بوسیله انتخاب تابع کار فلز گ یت - 5افزایش موبیلیتی حاملها بدلیل افزایش هدایتپذیری کانال. حذف پیو ند های سورس و درین مو جب بین یازی به برنامهبندیهای حرارتی بسیار سریع در فرایند ساخت میشود.
از برنامهبندیِ حرارتیِ ب سیار سریع به دو علت ا ستفاده می شود: - 1 فعال سازی اتمهای ناخالصی تزریق شده - 2جلوگیری از پراکندگی اتمهای ناخالصی بوسیله مکانیسم نفوذ - به این صورت میتوان شیبهای تند ناخالصی در افزاره ایجاد نمود - .[1] حذف این مرحله موجب کاهش هزینههای تمام شده برای ساخت JNT میگردد. نحوه عمل این ترانزیستور به این شرح است: عملکرد JNT در مد خاموش : در ولتاژ گیت صفر بدلیل تفاوت تابع کار الکترود گیت با تابع کار نیمههادی، حاملهای موجود در ناحیه کانال تخلیه میشوند. در این حالت جریان نشتی کوچکی در مد خاموش جریان خواهد داشت.
عملکرد JNT در مد روشن : برای روشن نمودن افزاره باید ولتاژ گیت را افزایش داد تا به این ترتیب سطح انرژی ناحیه کانال کاهش یافته و ب صورت باند تخت - هم سطح نوار انرژی در ناحیه سورس - درآید و جریان حاملها جاری شود. با افزایش بیشتر ولتاژ گیت از مقدار ولتاژ باند تخت، در ناحیه کانال یک لایه انباشگی ایجاد میگردد در نتیجهی این فرایند شار الکترونی از درین به سورس ن سبت به حالت باند تخت، بی شتر می شود .[3] بو سیله الکترود گ یت م قاو مت نانونوار را میتوان کنترل نمود از این رو رفتار این افزاره شبیه به یک مقاومت دارای گیت میباشد.[4]
هرچند که در فرایند ساخت JNT ها چالشهای موجود در کوچک سازی افزارهها تا حدودی مرتفع شده اند اما این افزارهها بطورکامل از مسائل مربوط به اثرات کوتاهشدگی کانال مصون نی ستند. از این رو برر سی و تحقیق بر روی این افزارهها همچنان ادامه دارد. تاکنون مطالعات متعددی پیرامون مشخصههای الکتریکی JNT ها انجام شده است .[5] که از آن جمله میتوان به تاثیر
- Band-to-Band Tunneling - BTBT بر روی عملکردهای افزاره اشاره نمود .[2] پدیده BTBT هنگامی رخ میدهد که شیب تغییرات نوار انرژی تا آنجا زیاد شود که لبههای باند هدایت و باند ظرفیت ب شدت به هم نزدیک شوند، در این حالت الکترونها فرصت مییابند، از باند هدایت به باند ظرفیت تونلزنی کنند. به این پدیده تونلزنی باند به باند - BTBT - گفته میشود. در افزارههای JNT بخش بزرگی از جریان نشتی ناشی از پدیده BTBT الکترونها است. مقدار BTBT الکترونها در افزارههای JNT با مقدار ناخالصی و ضخامت کانال نسبت مستقیم دارد .[2]
تاکنون روش هایی برای کاهش جر یان نشتی در حا لت خاموش ارائه شده است، که میتوان به استفاده از زیرلایههای سیلیکانی[2]، افزایش طول فیزیکی کانال، استفاده از فضاگیرهای در لبه های اکسید/فلز گیت [1]، گیت دوطرفه [6]، گیت سه طرفه [3]، گیت دورتا دور [7] و استفاده از یک لایه نازک عایق در وسط ناحیه کانال [8] در افزارههای JNT اشاره نمود. برخی از این روشها، فرایندهای ساخت را پیچیدهتر میکنند و برخی دیگر اشکالات اساسی دارند. برای مثال بکار بردن زیرلایه سلیکانی موجب افزایش جریان نشتی از طریق زیر لایه میشود و یک الکترود دیگر هنگام مجتمع سازی اضافه میگردد. افزایش طول کانال باعث بالا رفتن خازن گیت-کانال و در نتیجه افزایش میزان تاخیر سوئیچ زنی میشود، از این رو عملکردهای منطقی افزاره کاهش مییابد. در بخشهای بعدی نشان خواهیم داد که با ایجاد تغییرات کوچکی در ساختار عایق گیت JNT، میتوان جریان نشتی حالت خاموش را به میزان قابل توجهی کاهش داد.
-2 ساختار افزارهها
ساختار پیشنهاد شده همانند ساختار JNT های مرسوم است با این تفاوت که شکل عایق بگونهای تغییر یافته است که در لبههای سمت درین و سورس ضخامت بیشتر شده و در وسط طول گیت، عایق دارای کمترین ضخامت است، از این رو ساختار پی شنهاد شده را JNT گیت خمیده مینامیم. شکل - 1 - معماری JNT گیت خمیده و JNT مرسوم" را نشان میدهد. هر دو افزاره بر مبنای تکنولوژی سیلیکان روی عایق - SOI1 - طراحی شدهاند. تابع کار الکترود گیت برای JNT گیت خمیده و JNT مر سوم به ترتیب 5.1 eV و 4.95 eV در نظر گرفته شده است. تابع کار JNT مرسوم" را اندکی کوچکتر انتخاب کرده ایم تا ولتاژ آستانهی هر دو افزاره یکسان شود. این کار مقایسه دو ساختار را راحتتر می نماید.
برای پیاده سازی عایق JNT گیت خمیده" ابتدا یک لایه SiO2 به ضخامت 3nm بر روی لایه سلیکان رشد دادهایم، سپس به اندازه یک نیم بیضی از بخش بالایی SiO2 حذف نمودهایم. در عمل میتوان با ا ستفاده از خا صیت نیم سایه در لبه ما سک این کار را انجام داد. قطر بزرگ بیضی هم ا ندازه با طول گ یت در نظر گرف ته میشود و به راحتی میتوان ضخامت عایق گیت در مرکز را بو سیله تعیین قطر کوچک، معین نمود - برای مثال در شکل - 1 - - الف - قطر کوچک بیضی 2nm در نظر گرفته شده است - . در این تحقیق ضخامت عایق گیت در لبه ها 3nm و در مرکز گیت 1nm در نظر گرفته شده است. ضخامت لایه سیلیکان 5nm است و از ناخالصی نوع n با مقدار 2×10 19 cm-3 برای تغلیظ نواحی فعال افزاره استفاده شده است. ضریب دی الکتریک عایق 3.9 است. پارامترهای استفاده شده در این تحقیق در جدول - - 1 نوشته شدهاند. ضخامت عایق گیت افزاره JNT مرسوم" - که برای مقای سه در نظر گرفته شده ا ست - در تمام نواحی 1nm میبا شد. عرض هر دو افزاره 1ʽm درنظر گرفته شده است.
-3 شبیه سازی
نرم افزار بکار گرفته شده در این تحقیق Synopsys Sentaurus TCAD H-2013-03 میباشد.[9] برای اطمینان از نتایج مدلسازیها، ابتدا مدل ارائه شده در مرجع [2] را باز تولید کرده ایم چراکه آن نتایج به خوبی با نتایج تجربی انطباق داشته است . - [10] شکل - 2 - نمودار Id-Vg مدل داده شده در مقاله [2]و نتایج باز تولید شده را نشان میدهد.
-4 بررسی نتایج و بحث پیرامون آنها
1؛-4 مشخصه جریان
ش کل - 3 - نمودار JNT Id-Vg گ یت خم یده و JNT" مر سوم" را ن شان میدهد. ن سبت جریان Ion/Ioff در JNT" گیت خم یده" و JNT" مرسوم " به ترت یب 1.1×1010 و 1.7×107 میبا شد. همانطور که ملاحظه می شود ن سبت جریان Ion/Ioff در JNT" گیت خمیده"در حدود 103 برابر از JNT" مر سوم" بی شتر است. این میزان بهبود یافتگی به علت کاهش شیب نوار انرژی بین درین و کانال میباشد. در ادامه، این موضوع به تفصیل شرح داده میشود. شکل : - 2 - نتایج ارائه شده در مرجع[2] و نمونه بازتولید شده آن در مدل سازیها از فیزیک BTBT استفاده شده است.
از تونل زنی م ستقیم در عایق گیت که منجر به جریان ن شتی گیت میگردد صرفنظر شده ا ست. به دلیل نازکی لایه ا ستفاده شده برای افزارههای در دست تحقیق، از مدل سازیهای گسسته ساز - شامل اندازه و میدان - و باند ممنوع باریک شده استفاده شده است. همچنین مکانیسمهای - Shockley-Read-Hall - SRH و Aguer برای تولید و بازترکیب الکترون-حفره در مدلسازی لحاظ شدهاند. در مدل سازی موبیلیتی حاملها از واب ستگی به غلظت، میدان عرضی و محدودسازی سرعت الکترون - سرعت اشباع الکترون - استفاده شده است. شکل : - 3 - نمودار Id-Vg دو افزاره JNT ساده و گیت خمیده. برای افزاره JNT ساده Lg=40nm و Tox=1nm می با شد. همچنین برای JNT گیت خمیده Lg=40nm، Tox Min=1nm، Tox Max=3nm و VD=1V در نظر گرفته شده است.
در ماسفتهای مدرن به دلیل اینکه طول کانال کم است باید میدان الکترواستاتیکی بالایی به ناحیه کانال منتقل شود تا جریان درین بخوبی کاهش داده شود. این مسئله شیبهای تندی در نوار انرژی در حد فاصله ناحیه کانال با درین ایجاد میکند. در ناحیهای از افزاره که کانال به پایان میرسد - لبه کانال - درین - این میدان بدلیل وجود میدان درین بصورت ناگهانی شروع به کاهش میکند. در افزاره پیشنهادی این شیب کمتر شده است. در ش کل - 4 - نوار انرژی برای هر دو افزاره "JNT گ یت خمیده" و JNT" مرسوم" رسم شده است.
