Investigation of the RF Performance of n-JL (Junctionless) CombFETwith Ambient Temperature Variations

Technisches Resümee: Untersuchung der RF-Leistung eines n-JL (Junctionless) CombFET bei Variationen der Umgebungstemperatur

Problemstellung
Da die Dimensionen von Transistoren in den Bereich der tief skalierten Regime (Sub-5-nm) vordringen, ist eine starke elektrostatische Kontrolle entscheidend, um Kurzkanaleffekte zu mildern. Während Gate-All-Around (GAA)-Architekturen eine überlegene elektrostatische Integrität bieten, erfordern die Anforderungen an den Treiberstrom für zukünftige 6G-Systeme oft vertikal gestapelte Kanäle. Das Erhöhen der Anzahl gestapelter Kanäle verschlechtert jedoch die parasitäre Kapazität und die Prozesskomplexität. Um dieses Problem zu adressieren, integriert die CombFET-Architektur Fin-ähnliche Kanäle mit vertikal gestapelten GAA-Kanälen, um die Stromtreibbarkeit und die RF-Leistung zu verbessern, ohne die Layout-Grundfläche zu vergrößern. Trotz dieser Vorteile sind Geräte, die in Hochleistungsumgebungen betrieben werden, erheblicher thermischer Belastung ausgesetzt. Variationen der Umgebungstemperatur beeinflussen die elektrothermische Stabilität, die Ladungsträgermobilität, die Leckströme und die RF-Leistungszahlen (Figures of Merit) kritisch. Während Temperatureffekte für FinFETs und JL-GAA-Strukturen bereits analysiert wurden, sind Untersuchungen zur thermischen Sensitivität von n-JL-CombFETs begrenzt, was eine Wissenslücke hinsichtlich deren Robustheit für hochfrequente Anwendungen der nächsten Generation schafft.

Methodik
Diese Studie verwendet eine numerische Untersuchung mittels gut kalibrierter 3D-TCAD-Simulationen (Synopsys TCAD SDE), um den Einfluss der Umgebungstemperatur auf einen 14-nm-Kanal-Längen-n-Junctionless (JL)-CombFET zu analysieren. Das Simulationsframework beinhaltet:

• Bauelementstruktur: Ein kammförmiger Kanal mit einem einzelnen Fin und mehreren Brücken, umgeben von einem Gate-Stack.
• Physikalische Modelle: Der Ladungsträgertransport wird mittels des hydrodynamischen Ansatzes modelliert, um den Energiefluss und nicht-lokale Effekte zu erfassen. Quanten-Confinement wird über das eQuantum-Potential für Brückenstärken unter 10 nm berücksichtigt. Mobilitätsvariationen werden durch das PhuMob-Modell behandelt, während das oldSlotboom-Modell die Ladungsträgerdichte in hochdotierten Regionen korrigiert. Die Shockley-Read-Hall (SRH)-Rekombination wird ebenfalls berücksichtigt.
• Kalibrierung: Die Modelle wurden gegen experimentelle Ergebnisse aus der bestehenden Literatur (Ref. [17]) kalibriert, indem die Phumob-Parameter ($\mu_{max}$, $\mu_{min}$), die Austrittsarbeit und die eingefangenen Ladungen angepasst wurden.
• Variablen: Die Studie evaluiert RF-Metriken über einen Temperaturbereich von 280 K bis 380 K. Der Fin-Abstand ($F_g$) wird in vier Schritten von 5 nm bis 22 nm variiert, um die optimale Leistung unter verschiedenen thermischen Belastungsbedingungen zu bestimmen. Die Bauelementparameter folgen den IRDS-Richtlinien, mit einer Kanallänge ($L_g$) von 14 nm und Dotierungskonzentrationen von $1 \times 10^{19} \text{ cm}^{-3}$.

Wesentliche Ergebnisse
Die Simulationsergebnisse zeigen eine konsistente Verschlechterung der RF-Leistung, wenn die Umgebungstemperatur von 280 K auf 380 K ansteigt:

• DC-Kennlinien: Im ON-Zustand sinkt der Spitzen-Drainstrom ($I_d$) von $5,5 \times 10^{-5}$ A auf $4,4 \times 10^{-5}$ A (eine Reduktion um ca. 15 %) und die Spitzen-Transkonduktanz ($g_m$) sinkt um etwa 18 %. Dies wird der dominierenden Phononenstreuung zugeschrieben, welche die Ladungsträgermobilität reduziert. Umgekehrt steigt der OFF-Zustands-Leckstrom aufgrund erhöhter thermischer Ladungsträgergeneration.
• Null Temperaturkoeffizient (ZTC): Ein ZTC-Punkt, an dem sich temperaturbedingte Schwellenspannungsverschiebungen und Mobilitätsdegradation gegenseitig kompensieren, wurde für alle Fin-Abstände extrahiert. Die optimale ZTC-Leistung für sowohl $I_d$ als auch $g_m$ wurde bei einem Fin-Abstand von 10 nm beobachtet.
• Kapazität und Verstärkung: Die maximale Gate-Kapazität ($C_{gg\_max}$) nimmt mit steigender Temperatur um 13–19 % ab. Der Transgeneration-Faktor (TGF), der die Transkonduktanz-Effizienz darstellt, sinkt um fast 28 % (von ~40 $\text{V}^{-1}$ auf ~29 $\text{V}^{-1}$).
• RF-Leistungszahlen (Figures of Merit):
  • Grenzfrequenz ($f_T$): $f_T$ sinkt bei steigender Temperatur um etwa 11,4 % (von 350 GHz auf 310 GHz). Die maximale $f_T$ für einen 5-nm-Fin-Abstand sinkt von ~345 MHz auf ~330 MHz, während ein 22-nm-Abstand einen stärkeren Abfall von ~165 MHz auf ~145 MHz zeigt.
  • Maximale Oszillationsfrequenz ($f_{max}$): $f_{max}$ verschlechtert sich von ~600 GHz bei 280 K auf ~530 GHz bei 380 K für einen 5-nm-Fin-Abstand.
  • Transkonduktanz-Frequenz-Produkt (TFP): Das Spitzen-TFP reduziert sich über den Temperaturbereich um etwa 21 % (von ~2900 GHz/V auf ~2300 GHz/V).
  • Maximale verfügbare Verstärkung (MAG): MAG sinkt im Niederfrequenzbereich von ~70 dB auf ~65 dB, wobei der 0-dB-Durchgang bei höheren Temperaturen bei niedrigeren Frequenzen auftritt.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit behauptet, dass die n-JL-CombFET-Architektur die elektrostatische Integrität selbst unter thermischer Belastung bewahrt und somit ein robuster Kandidat für hochfrequente 6G-Anwendungen ist. Dennoch unterstreicht die Studie, dass die Leistung hochsensibel auf die Umgebungstemperatur reagiert, was primär durch die Degradation der Ladungsträgermobilität getrieben wird.

Der primäre Beitrag dieser Arbeit ist die Identifizierung des Fin-Abstands als abstimmbaren Parameter, um die Leistung des Bauelements unter variierenden thermischen Bedingungen zu optimieren. Insbesondere kommen die Autoren zu dem Schluss, dass ein Fin-Abstand von 10 nm die höchste ZTC-Leistung liefert, was die Optimierung der RF-Leistung über verschiedene Umgebungstemperaturen hinweg ermöglicht. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit temperatur-bewusster Designstrategien in der monolithischen 3D-Integration, um die negativen Auswirkungen erhöhter Betriebstemperaturen auf die RF-Effizienz zu mildern. Während das Bauelement unter kontrollierten thermischen Bedingungen vielversprechend ist, ist seine Eignung für Hochtemperaturumgebungen ohne solche strukturellen Optimierungen begrenzt.