Estructura FET del túnel de heterounión III-V *S
El transistor de efecto de campo de túnel (túnel FET, TFET) es un novedoso dispositivo semiconductor que funciona basándose en el efecto de túnel de la mecánica cuántica. En comparación con los MOSFET tradicionales (transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico), la principal ventaja de los TFET es que, en teoría, pueden lograr oscilaciones por debajo del umbral más bajas, lo que significa que aún pueden mantener un buen rendimiento de conmutación a voltajes extremadamente bajos, lo que ayuda a reducir el consumo de energía. de circuitos integrados. PAM-XIAMEN es capaz de hacer crecer epitaxialmente una estructura FET de túnel basada enMateriales compuestos III-V, consulte la siguiente estructura para obtener más detalles:
1. III-V Basado en materialesTtúnelFET Sestructura
| Capa Epi | Espesor | dopaje | Composición |
| n+ InGaAs | – | – | |
| Yo InGaAs | 150nm | ||
| p++GaAsSb | – | – | |
| p+GaAsSb | – | – | |
| AlInAs | – | ||
| Búfer Al1-xInxAs | X:0,52~0,64 | ||
| Sub entrada |
2. Principio de funcionamiento del transistor de efecto de campo de túnel
El transistor de efecto de campo de túnel es un dispositivo que utiliza el fenómeno de tunelización banda a banda (BTBT) entre las bandas de conducción y valencia de los portadores de carga en la región del canal controlada por el electrodo de puerta para lograr el rendimiento FET. El diagrama esquemático de la estructura básica del TFET se muestra en la Fig. 1. En la figura se puede ver que el tipo de dopaje de las regiones de drenaje y canal del dispositivo es el mismo, lo cual es una característica importante que lo distingue de los MOSFET tradicionales. .
Fig.1 Estructura básica de TFET
Los MOSFET tradicionales utilizan un voltaje de puerta externo para controlar el canal en la superficie de la región del canal para lograr la transición entre los estados encendido y apagado entre el drenaje y la fuente, mientras que los TFET usan el voltaje de puerta para controlar el proceso de túnel entre bandas de los portadores en la región del canal para lograr el encendido y apagado del dispositivo. Para el principio de funcionamiento del FET de túnel, tomando n-TFET como ejemplo, cuando no hay voltaje de compuerta externo, debido a la región de fuente de tipo p fuertemente dopada y la región de canal de tipo n ligeramente dopada, la región de agotamiento entre la fuente y el canal hace dificulta que los electrones en la región de origen hagan un túnel hacia la región del canal. Por lo tanto, el dispositivo está en estado apagado y su corriente en estado apagado es menor que la de los dispositivos MOS tradicionales; A medida que el voltaje de compuerta aplicado aumenta gradualmente, la banda de energía de la región del canal disminuye continuamente; Cuando la banda de conducción de la región del canal desciende por debajo de la banda de valencia de la región fuente, las bandas de energía de la región fuente y la región del canal comienzan a alinearse o incluso superponerse, lo que provoca una gran cantidad de electrones ubicados en la banda de valencia de la región de origen haga un túnel hacia la banda de conducción de la región del canal, provocando así que el dispositivo pase instantáneamente del estado apagado al estado encendido.
Fig. 2 Diagrama de bandas superficiales de TFET en estado apagado
Fig. 3 Diagrama de bandas de la superficie TFET en estado encendido
Debido al proceso de conversión mucho más rápido en comparación con los MOSFET tradicionales, los dispositivos Tunnel FET pueden tener buenas características subumbral y su pendiente subumbral puede ser menor que el valor ideal de los dispositivos MOS tradicionales.
3.TtúnelFcampo-miefectoTresistenciasCdesafíosy desarrollos
Actualmente, TFET enfrenta los siguientes desafíos:
1) Corriente de estado baja: en comparación con los MOSFET tradicionales, el FET de túnel tiene una corriente de estado más baja, lo que limita su aplicación en dispositivos electrónicos de alta velocidad y alto rendimiento.
2) Proceso de fabricación complejo: lograr un efecto de túnel cuántico eficaz requiere un control preciso de la estructura de la banda y la concentración de dopaje de los materiales semiconductores, lo que impone mayores exigencias a las tecnologías de fabricación de semiconductores existentes.
3) Relación entre el tamaño del dispositivo y el rendimiento: a medida que el tamaño del dispositivo continúa reduciéndose, el impacto del ancho de la región de la barrera en la corriente del túnel se vuelve más significativo. Cómo mantener una buena eficiencia de la construcción de túneles a nanoescala es un desafío.
4) Cuestión de confiabilidad: debido a la sensibilidad de los efectos cuánticos a las condiciones ambientales como las fluctuaciones de temperatura y voltaje, la estabilidad y confiabilidad a largo plazo de los TFET necesitan más investigación y mejora.
Por lo tanto, las pautas de desarrollo para el transistor de túnel se presentan como:
1) Exploración de nuevos materiales: desarrollar nuevos materiales bidimensionales (como grafeno, sulfuros de metales de transición, etc.) y semiconductores de banda prohibida amplia (como nitruro de galio, óxido de galio, etc.) para optimizar la estructura de la banda y mejorar la eficiencia de la tunelización.
2) Innovación en la estructura del dispositivo: mediante el diseño de nuevas estructuras TFET, como TFET multicanal, TFET superred, etc., se mejoran las características de transferencia de carga y se aumentan la corriente en estado de encendido y la relación de conmutación.
3) Tecnología de integración y empaquetado: combinación de tecnología avanzada de micronanoprocesamiento y tecnología de empaquetado de circuitos integrados 3D para resolver diversos desafíos planteados por la miniaturización y lograr una integración a gran escala.
4) Modelado y simulación teóricos: Establecer modelos físicos y herramientas de simulación más precisos para guiar el diseño y optimización de FET de túneles verticales, predecir y resolver problemas potenciales en aplicaciones prácticas.
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