Туннельные полевые транзисторы ( Tunnel FETs - ТFETs)

Трехмерный (3D) вид TFET показан на рис. 2.1. TFET по существу является обратно смещенным p-i-n-диодом с затвором. N-TFET состоит из p+-истока, внутреннего канала с затвором для модуляции его потенциала и n+-стока. Область истока должна быть сильно легированной (> 10²⁰ см^-3) для достижения высокой эффективности туннелирования. Кроме того, профиль легирования на границе раздела исток-канал должен быть резким для достижения большого изгиба зон и увеличения вероятности туннелирования. Реализация крутого профиля на границе раздела исток-канал достигается методами сверхбыстрого отжига, такими как импульсный отжиг или СВЧ отжиг.

TFET работает по принципу межзонного туннелирования. Затвор модулирует эффективность туннелирования на границе исток-канал, как показано на рис. 2.2. Когда напряжение на затворе увеличивается (V_GS = 1,0 В), внутренний канал входит в режим сильной инверсии (включенное состояние). Профили зон TFET во включенном состоянии показаны на рис. 2.2 (а). Как видно из рис. 2.2 (а), существует значительное перекрытие между валентной зоной области истока и зоной проводимости области канала. Это создает возможность туннелирования электронов из истока в область канала, приводящего к току стока. Затвор модулирует изгиб зоны области канала и определяет длину туннелирования (𝜆) (длина туннелирования описывает пространственную протяженность переходной области на границе истока и канала).

РИС. 2.2 Профили энергетических зон туннельного полевого транзистора с двумя затворами на линии среза 1нм ниже границы раздела Si-SiO₂ в (а) состоянии «ВКЛ» (V_GS = 1,0 В), (b) состоянии «ВЫКЛ» (V_GS = 0,0 В), (c) амбиполярное состояние (V_GS = -1,0 В) и (d) передаточные характеристики TFET и MOSFET.

В выключенном состоянии (V_GS = 0,0В) валентная зона области истока перекрывается запрещенной зоной области канала. Следовательно, возможность туннелирования устраняется, как показано на рис. 2.2 (b). Так как TFET по существу является обратно смещенным p-i-n диодом, в выключенном состоянии ток стока – это просто ток утечки p-i-n диода, который является чрезвычайно низким, как показано на рис. 2.2 (d) (от 10^-15 до
10^-17А/мкм). Из рис. 2.2 (b), также видно, что профиль энергетических зон TFET в выключенном состоянии монотонно увеличивается (нет барьера). В результате в TFET меньше влияние ККЭ, таких как вызванное стоком понижение барьера (DIBL).

В выключенном состоянии все напряжение сток-исток падает на области внутреннего канала (создавая максимальное последовательное сопротивление) и на областях обеднения исток-канал и канал-сток. Однако во включенном состоянии из-за образования инверсионного п+-слоя, последовательное сопротивление области канала значительно уменьшается, и все напряжение стока падает на областях обеднения канал-исток и канал-сток. На границе раздела исток-канал создается большое продольное электрическое поле, приводящее к большому изгибу зон и перекрытию между валентной зоной истока и зоной проводимости канала. Это приводит к инжекции (туннелированию) электронов в область канала, как показано на рис. 2 (а). Затем туннелированные электроны текут путем дрейф-диффузии через канал в сток.

Эффективность туннелирования на переходе исток-канал (приблизительно в треугольном потенциальном барьере) можно рассчитать с помощью приближения Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB). Вероятность туннелирования определяется как

            (2.1)

где m∗ – эффективная масса носителя, E_g – ширина запрещенной зоны, E – электрическое поле на туннельном переходе исток-канал, 𝜆 – длина туннелирования (рис. 2.2 (а)), которая значительно зависит от электрического поля, Δ𝜙 – окно туннелирования, через которое происходит туннелирование, ħ – приведенная постоянная Планка, а q –элементарный заряд. Можно уже сделать несколько выводов из уравнения (2.1). Ток включенного состояния можно увеличить, используя материал с низкой эффективной массой носителя или малой шириной запрещенной зоны или с помощью структур, которые могут увеличить электрическое поле на границе раздела исток- канал.

Рис. 2.3 Профили энергетических зон на линии среза на 1 нм ниже границы раздела Si-SiO₂ в (а)  МОП-транзистор и (б) TFET.

Чтобы понять, как TFET могут демонстрировать подпороговый размах меньше, чем 60мВ/дек, давайте обратим наше внимание на рис. 2.3. Электроны с энергией выше, чем высота барьера канал-исток, которые можно идентифицировать как электроны в хвосте распределения Ферми-Дирака на рис. 2.3(а), легко преодолевают барьер и создают ток утечки. Эти высокоэнергетические электроны в хвосте распределения Ферми-Дирака ограничивают подпороговый размах МОП-транзисторов величиной 60мВ/дек. Однако в случае TFETs, как показано на рис. 2.3 (b), уровень энергии электронов в хвосте распределения Ферми-Дирака лежит в запрещенной зоне истока, где состояния энергии отсутствуют. В результате эти высокоэнергетичные электроны в истоке не дают вклад в ток проводимости. Аналогично, электроны с низким уровнем энергии в валентной зоне области истока (с вероятностью заполнения, близкой к 1) не могут туннелировать в область канала, так как нет доступных состояний энергии в запрещенной зоне области канала (см. рис. 2.3 (b)). Только электроны с уровнем энергии, близким к уровню Ферми в истоке, могут туннелировать в область канала и внести свой вклад в ток стока. Следовательно, в энергетической области существует зонная фильтрация прохождения электронов истока в TFET. Кроме того, вероятность заполнения электронов в распределении Ферми-Дирака резко изменяется вблизи уровня Ферми, приводя к крутому изменению тока и подпороговому размаху ниже 60 мВ/дек в TFET. Подпороговый размах ниже 60 мВ/дек был экспериментально продемонстрирован для TFET.

Хотя TFET привлекли большое внимание исследователей из-за низкого тока утечки, крутых подпороговых размахов, лучшей устойчивости к ККЭ, и совместимости с обычным процессом КМОП, их применение ограничено из-за факторов, обсуждаемых ниже.

Как указывалось выше, TFET представляет собой p-i-n структуру в отличие от n-i-n структуры MOSFET. Поскольку структура MOSFET симметрична, она предлагает гибкость при выборе области n+ в качестве области истока или стока, и электроды могут быть взаимозаменяемы, не влияя на работу прибора как n-MOSFET. Это уникальное свойство MOSFET позволяет дизайнеру топологии схемы, чтобы уменьшить область топологии, использовать простые методы, такие как обмен контактами. Однако такое положение не может быть использовано в TFET. Поэтому схемы, использующие TFET будут в топологии занимать большую площадь по сравнению с MOSFET. Это создает технологическую проблему при масштабировании размеров интегральных схем сделанных из TFETs.

Ток во включенном состоянии ограничен в TFET эффективностью туннелирования на переходе исток-канал. Ток включенного состояния TFET меньше, чем MOSFET, как показано на рис. 2.2 (d). Как можно видеть из уравнения (2.1), ток во включенном состоянии может быть улучшен путем уменьшения длины туннелирования. Это может быть достигнуто путем увеличения электрического поля в туннельном переходе. Для более высокого электрического поля на границе исток-канал требуется резкий профиль легирования с высокой концентрацией легирования истока. Это накладывает жесткие ограничения на методы отжига, используемые для активации легирующей примеси, так как термический отжиг будет приводить к боковой диффузии и, как следствие, к плавному профилю примеси, в то время как нужен крутой профиль. Были предложены методы, такие как импульсный отжиг или микроволновый отжиг для реализации сверхкрутых профилей примеси.

 Кроме того, в литературе были предложены различные методы на уровне структуры, чтобы увеличить ток во включенном состоянии, включая использование high-к диэлектрика затвора, n+-карман на границе раздела исток-канал, создающий p-n-p-n TFET, материал с малой шириной запрещенной зоны на стороне истока и т. д. Наличие high-к диэлектрика затвора увеличивает влияние затвора и, следовательно, вертикальное электрическое поле, ведущее к увеличенному изгибу зоны и, как следствие, меньшей длине туннелирования, увеличивающей ток во включенном состоянии (см. уравнение (2.1)). Уменьшение ширины запрещенной зоны приводит к увеличению вероятности туннелирования, как можно наблюдать из уравнения (2.1), приводящему к большему рабочему току.

Применение n+-кармана на туннельной границе раздела исток-канал приводит к большому электрическому полю в туннельном переходе. Это можно просто понять из того факта, что пиковое электрическое поле в сильно легированном p+ − n+ переходе больше, чем пиковое электрическое поле в p+ − n переходе. В результате включение n+-кармана соответствующей толщины, которая полностью истощается во включенном состоянии, приводит к большому изгибу зон из-за более высокого электрического поля и последующей более высокой вероятности туннелирования во включенном состоянии. Сообщалось, что PNPN TFET (рис. 2.4) имеет более крутой подпороговый наклон, пониженное рабочее напряжение и повышенную надежность по сравнению с p-i-n TFET в дополнение к увеличению тока в состоянии ВКЛ. Тем не менее, даже после использования этих методов, ток во включенном состоянии TFET остается ниже, чем у обычных МОП-транзисторов, что приводит к более высокой внутренней задержке и снижению быстродействия. Поэтому были также изучены III-V гетеропереходные TFET для увеличения ON тока. Материалы III-V предлагают меньшую эффективную туннельную массу и меньшую ширину запрещенной зоны, что увеличивает вероятность туннелирования. Кроме того, материалы III-V являются прямозонными материалами, и импульс электронов на дне зона проводимости совпадает с импульсом электрона в верхней части валентной зоны. С другой стороны, кремний и германий являются непрямозонными материалами запрещенной зоны, так что импульс в нижней части зоны проводимости не совпадает с импульсом верха валентной зоны. В результате требуется изменение импульса для перехода электрона от вершины валентной зоны до дна зоны проводимости. Дополнительная энергия, необходимая для этого изменения импульса, получается в результате столкновений с кристаллической решеткой и снижает вероятность туннелирования в кремниевых и германиевых TFET. Прямозонные III-V TFET не требуют изменения импульса или дополнительной энергии и, следовательно, предлагают более высокий ток во включенном состоянии. Тем не менее, интеграция материалов III-V с обычными КМОП – технологическая задача. Более того, в изготовленных III-V TFET подпороговый размах ниже 60 мВ/дек достигается только для низкого диапазона токов стока.

До сих пор мы рассмотрели только два состояния TFET, то есть состояние ВКЛ и состояние ВЫКЛ. Интересно, что в TFET, когда прикладывается отрицательное напряжение затвора, на границе раздела канал-сток наблюдается значительный изгиб зон, который приводит к пространственному перекрытию между областью валентной зоны канала и области зоны проводимости стока. Перекрытие зон способствует туннелированию на границе канал-сток, как показано на рис. 2.2 (с). Таким образом, затвор управляет током стока, даже когда полярность напряжения на затворе меняется, как показано на рис. 2.2 (d). Это уникальное свойство TFET, называемое амбиполярной проводимостью, позволяет ему проводить даже при отрицательных напряжениях на затворе. Однако амбиполярная проводимость ограничивает полезность TFET для применения в цифровых схемах.

Во многих экспериментальных TFET наблюдается также подпороговый размах более 60 мВ/декада. Это связано с туннелированием с использованием ловушек - TAT механизм (trap-assisted tunneling - TAT). Электроны могут туннелировать в ловушки и впоследствии вводиться в область канала через тепловые процессы. TAT отвечает за высокие значения  подпороговых размахов TFET. ТАТ является основным вызовом для TFET, и TFET может быть жизнеспособным для приложений с низким энергопотреблением только если ТАТ устраняется.