Попов_НГТУ-2015 ноябрь 16

Диффузионно-дрейфовое приближение: зависимость подвижности от LG

Легирование без дефектов

Mobility, cm2V-1s-1

400

350

300

250

200

150

100

50

nMOS
Base: B1e17cm	-3
GateOxide=5nm V		=0.001V
		sd
GateOxide=5nm V		=0.01V
		sd
GateOxide=1nm V		=0.001V
		sd
GateOxide=1nm V		=0.01V
		sd

Диффузионно-дрейфовое прибл.

Поле

0	100	200	300	400	500	600	700	800
			Channel length, nm

L = 10 ÷800 nm

Радиационная деградация наноразмерных МОПТ для СТ из-за эффекта сильного поля!

V. P. Popov, M.A . Ilnitsky, IX Russian Conf. on Semiconductors, 29 Sent. - 3 Oct. 2009.

31

Двухзатворные полевые транзисторы

Настройка порогового напряжения

 Переключение режимов (LE or HP)	=eμ∫ R 2πr ndr= eμπ R2n{exp(-e	/k T)-1}
	0	S B

Фундаментальное подобие биосистеме

Высокая чувствительность (низкий шум)

	DI/I(1)> DI/I(1’) – настройка крутизны	Сток-затворные ВАХ по лицевому затвору
		(атомно-слоевое осаждение диэлектрика)
	1'		1E-5
			1E-6								nMOS 2D
											nSD1e20 nBase1e16
			1E-7								Length 1um
	1										BOX 300nm
			1E-8								Sub WF=4.61eV
											Top Insulator:
			1E-9								SiO2=1.8nm SiO2=5.2nm
	(A)		1E-10								Top Gate:
											Vacuum
		, A
			1E-11								Water(pH7) V=-0.17V
		ds									Charge on Top Interface:
	DS	I	1E-12								+5e11cm-2
	I										0
			1E-13								-5e11cm-2
			1E-14							Al2O3+Annealing #2d1w2 Length 19 m
											test24 (2015.04.21 18:08) M3, [+8;-8], Air
			1E-15								test25 (2015.04.21 18:31) M2r0-4, [100;0], Air
											test26-1 (2015.04.21 18:50) M2r0-4, [100;0], Air
			1E-16								test26-2 (2015.04.21 19:07) M2r0-4, [100;0], Air
											test27-1 (2015.04.21 19:13) M3, [+8;-8], Air
			1E-17
	VBG (Volt)		-20	-16 -12	-8	-4	0	4	8	12	16 20 24 28
								Vsub, V

Сток-затворные ВАХ по тыловому затвору

V.P. Popov et al. Semicond. 50, 3 (2016)

32

Двухзатворные полевые транзисторы

33

Двухзатворные полевые транзисторы

Jeff Stuecheli	34

Квантово-механические эффекты в нанометровых пленках Проблема 5 : кремния в сильных поперечных полях

1.Эффект линейной зарядовой связи пороговых напряжений в двухзатворных КНИ транзисторах используется в СБИС высокой производительности и низкого энергопотребления.

2.Квантовые эффекты в кремнии заметны при размерах < 10 нм, но в полевых приборах размер области с носителями заряда ограничен электрическим полем.

3.Задача - определение квантовых поправок в полевых нанотранзисторах из-за индуцированного полем размерного квантования.

Asymmetric mode

HSi

*T. Rudenko, V.P. Popov et al., Revision of interface coupling . Semicond. Phys., Quant. Electron. and Optoelectron., 2013, 16 (3), 299-314.

**V. P. Popov, et al., Quantum corrections to the threshold voltage …

Semiconductors, 2014, 48 (10) 1348-1353.

Квантово-механические эффекты в нанометровых пленках кремния в сильных поперечных полях

2G SOI FET (HSi= 30 - 50 nm) at low parallel fields VDS < 0.05 V

25		27 nm Classic
		27 nm QM
20	V =1.26 V	37 nm Classic
	gf	37 nm QM

(V)

15

V =0.67 V

gf

f

Th,

10

T =27 & 37 nm

V

Si

T

of

=250 nm

5

T

=200 nm

ob

V

FBf

=V

FBb

=0

0

N

=0

ss

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

V

gf

(V)

Analitical Simulation*:

0

28

	24		Density Gradient Quantization Model
			No Quantization
	20	Vgf=2.07 V		experiment
				H = 27nm
	16			H = 37nm
(V)				H = 47nm
	12
th	8
V
	4
	0
	-4
	-80 -60 -40 -20		0	20 40 60

Vtg (V)

Experiment**: VTh.f > 2 V at HSi=37 nm

Very small effects for HSi > 30 nm

*T. Rudenko, V.P. Popov et al., Revision of interface coupling ...

Semicond. Phys., Quant. Electron. and Optoelectron., 2013, 16 (3), 299-314.

Observable effect for HSi = 50 nm Is there another reason?

**V. P. Popov, et al., Quantum corrections to the threshold
voltage … Semiconductors, 2014, 48 (10) 1348.	36

Квантово-механические эффекты в субмикронных пленках

кремния в сильных поперечных полях

2G SOI FET (HSi= 200 nm) with long (10 m) channel at low parallel field VDS= 0.05V

I , A ds

1E-5
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-11
1E-12
1E-13
1E-14
-8	-6	-4	-2	0	2	4
			V	,	V
				sub

Experiment: at HSi=200 nm

V	gate	:
		+10
		+9
		+8
		+7
		+6
		+5
		+4
		+3
		+2
		+1
		0
		-1
		-2
		-3
		-4
		-5
		-6
		-7
		-8
		-9
		-10
		-12
		-14
		-16
		-18
		-20
		-22
		-24

6

8

V , V sub,th

6

5					V =0.05 V
							gf
4
3
2		Experiment M3 22.12.14
1	2Gate nMOS
0	Channel H=200nm L=800nm
	nBase P5e14
-1	nSD Gauss Max P1e20
	Top Oxide H=40nm							V		:
									sub,th
-2	BOX H=400nm									single
	TopGate WF=4.05eV									1
-3	Substrate WF=4.61eV									2
	V	=0, V			=0.1V					3
				drain
		source
-4				Density Gradient Quantization Model
-5				No Quantization
-6		FixedCharge -5.0e11 cm				-2	, Traps 2.5e12 eV						-1	cm	-2
		No FixedCharge, No Traps
-7
	-20	-18	-16		-14 -12 -10				-8	-6		-4			-2	0	2	4	6	8	10
										V	top	, V

Numerical Simulation: TCAD

QM effect provides 2% wider Charge Coupling Characterisitics even at HSi = 200 nm!!

2G FET in asymmetric mode is a Macrosocopic System with QM Effect

В. П. Попов и др. Квантовые размерные эффекты в двухзатворных КНИ транзисторах, XIX симпозиум НФиНЭ, Н-Новг.,10-14 марта 2015. 37

Квантово-механические эффекты в нанометровых пленках

кремния в сильных поперечных полях

Для HSi = 4 - 200 нм квантовая поправка для Vth ~ A/tSi2 , где A = 1965 В∙нм 2

), V
classic	sub
	th,
- V
quantum	sub
	th,
max(V

	2	11		-2		12	-1	-2
10		Q =-5x10	cm		, D	=2.5x10	eV cm
		ox			it

101

100

10-1

3	4	5	6	7 8 9	20	30	40 50 60708090	200	300
					Si Thickness, nm

Рис.1. Максимальные значения Vth =

Vthquantum - Vthclassic в зависимости от

толщины отсеченного слоя кремния.

VG		V
	0	G
		OX
TOX		C
NINV		CINV	CG
	z

Ёмкость CQua включена последовательно с ёмкостью слоя кремния:

C = (1/CQua + 1/CSi ) -1 = = S 0/( dQua / Quai + tSi / Si) .

При dQua << tSi и Quai ~ Si это выражение изменяется как:

C = (1/CQua +1/CSi+ 1/C*SiO2 )-1 = S 0 Si /[tSi (1+dQua / tSi)] = S 0 Vth Si (1-dQua / tSi) / tSi.

.

Vth = q C = - q S 0 Si dQua / tSi2

В. П. Попов и др. Квантовые размерные эффекты в двухзатворных КНИ транзисторах, XIX симпозиум НФиНЭ, Н-Новг.,10-14 марта 2015 38

Туннелирование – альтернатива FET?

Проблема 6 : Низкая плотность состояний в наноструктурах ( I ~ DOS)

Eli Yablonovitch Director, NSF Center for Energy Efficient Electronics Science (E3S)

Туннелирование – альтернатива FET?

Tanja Royet al. ACS Nano, 2014, 8 (6), pp 6259–6264