Struttura FET del tunnel di eterogiunzione III-V *S

Il transistor a effetto di campo tunnel (tunnel FET, TFET) è un nuovo dispositivo a semiconduttore che funziona in base all'effetto tunnel quantistico. Rispetto ai tradizionali MOSFET (transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo), il vantaggio principale dei TFET è che teoricamente possono raggiungere oscillazioni sottosoglia inferiori, il che significa che possono comunque mantenere buone prestazioni di commutazione a tensioni estremamente basse, contribuendo così a ridurre il consumo energetico. dei circuiti integrati. PAM-XIAMEN è in grado di far crescere epitassialmente la struttura FET a tunnel basata suMateriali composti III-V, fare riferimento alla seguente struttura per i dettagli:

1. III-V Basato sui materialiTunnelFET Sstruttura

Strato Epi	Spessore	Doping	Composizione
n+ InGaAs	-	-
ho InGaAs	150nm
p++GaAsSb	-	-
p+GaAsSb	-	-
AlInAs	-
Tampone Al1-xInxAs			X:0,52~0,64
InP Sub

 

2. Principio di funzionamento del transistor a effetto di campo a tunnel

Il transistor ad effetto di campo tunnel è un dispositivo che utilizza il fenomeno del tunneling banda a banda (BTBT) tra le bande di conduzione e di valenza dei portatori di carica nella regione del canale controllata dall'elettrodo di gate per ottenere prestazioni FET. Il diagramma schematico della struttura base del TFET è mostrato in Fig. 1. Dalla figura si può vedere che il tipo di drogaggio delle regioni di drain e di canale del dispositivo è lo stesso, caratteristica importante che lo distingue dai MOSFET tradizionali .

Fig. 1 Struttura di base del TFET

I MOSFET tradizionali utilizzano una tensione di gate esterna per controllare il canale sulla superficie della regione del canale per ottenere la transizione tra gli stati on e off tra drain e source, mentre i TFET utilizzano la tensione di gate per controllare il processo di tunneling interbanda dei portatori in la regione del canale per ottenere l'accensione e lo spegnimento del dispositivo. Per il principio di funzionamento del FET tunnel, prendendo n-TFET come esempio, quando non c'è tensione di gate esterna, a causa della regione di sorgente di tipo p fortemente drogata e della regione di canale di tipo n leggermente drogata, la regione di svuotamento tra la sorgente e il canale rende è difficile per gli elettroni nella regione di sorgente entrare nella regione del canale. Pertanto, il dispositivo è in stato spento e la sua corrente in stato spento è inferiore a quella dei dispositivi MOS tradizionali; Man mano che la tensione di gate applicata aumenta gradualmente, la banda di energia della regione del canale si abbassa continuamente; Quando la banda di conduzione della regione del canale viene abbassata al di sotto della banda di valenza della regione di source, le bande di energia della regione di source e della regione del canale iniziano ad allinearsi o addirittura a sovrapporsi, causando un gran numero di elettroni situati nella banda di valenza di la regione di source si incanala nella banda di conduzione della regione di canale, provocando così la transizione istantanea del dispositivo dallo stato spento allo stato acceso.

Fig. 2 Diagramma delle bande superficiali del TFET in stato spento

Fig. 3 Diagramma delle bande della superficie TFET nello stato attivo

A causa del processo di conversione molto più veloce rispetto ai MOSFET tradizionali, i dispositivi FET a tunnel possono avere buone caratteristiche di sottosoglia e la loro pendenza sottosoglia può essere inferiore al valore ideale dei dispositivi MOS tradizionali.

3. TunnelFcampo-EeffettoTransistoriCsfidee sviluppi

Attualmente, TFET deve affrontare le seguenti sfide:

1) Bassa corrente di stato: rispetto ai MOSFET tradizionali, il FET tunnel ha una corrente di stato inferiore, che ne limita l'applicazione in dispositivi elettronici ad alta velocità e ad alte prestazioni.

2) Processo di produzione complesso: per ottenere un efficace effetto tunnel quantistico è necessario un controllo preciso della struttura delle bande e della concentrazione di drogaggio dei materiali semiconduttori, il che pone requisiti più elevati alle tecnologie di produzione dei semiconduttori esistenti.

3) Relazione tra dimensioni del dispositivo e prestazioni: poiché le dimensioni del dispositivo continuano a ridursi, l'impatto della larghezza della regione della barriera sulla corrente nel tunnel diventa più significativo. Come mantenere una buona efficienza di tunneling su scala nanometrica è una sfida.

4) Problema di affidabilità: a causa della sensibilità degli effetti quantistici alle condizioni ambientali come le fluttuazioni di temperatura e tensione, la stabilità e l'affidabilità a lungo termine dei TFET necessitano di ulteriori ricerche e miglioramenti.

Pertanto, le linee guida per lo sviluppo del transistor tunnel vengono proposte come:

1) Esplorazione di nuovi materiali: sviluppare nuovi materiali bidimensionali (come grafene, solfuri di metalli di transizione, ecc.) e semiconduttori ad ampio gap di banda (come nitruro di gallio, ossido di gallio, ecc.) per ottimizzare la struttura delle bande e migliorare l'efficienza del tunneling.

2) Innovazione della struttura del dispositivo: progettando nuove strutture TFET, come TFET multicanale, TFET superlattice, ecc., le caratteristiche di trasferimento della carica vengono migliorate e la corrente di stato attivo e il rapporto di commutazione vengono aumentati.

3) Tecnologia di integrazione e confezionamento: combinazione della tecnologia avanzata di elaborazione micro nano e della tecnologia di confezionamento dei circuiti integrati 3D per risolvere le varie sfide poste dalla miniaturizzazione e ottenere un'integrazione su larga scala.

4) Modellazione e simulazione teorica: stabilire modelli fisici e strumenti di simulazione più accurati per guidare la progettazione e l'ottimizzazione dei FET a tunnel verticale, prevedere e risolvere potenziali problemi nelle applicazioni pratiche.

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