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

Résumé technique : Étude des performances RF du n-JL (Junctionless) CombFET en fonction des variations de la température ambiante

Énoncé du problème
À mesure que les dimensions des transistors entrent dans le régime de la miniaturisation extrême (sub-5-nm), l'obtention d'un contrôle électrostatique fort devient critique pour atténuer les effets de canal court. Bien que les architectures GAA (Gate-All-Around) offrent une intégrité électrostatique supérieure, les exigences en matière de courant de commande pour les futurs systèmes 6G nécessitent souvent des canaux empilés verticalement. Cependant, l'augmentation du nombre de canaux empilés exacerbe la capacité parasite et la complexité des processus. Pour répondre à cela, l'architecture CombFET intègre des canaux de type Fin avec des canaux GAA empilés verticalement afin d'améliorer la pilotabilité du courant et les performances RF sans augmenter l'empreinte de la mise en page (layout). Malgré ces avantages, les dispositifs fonctionnant dans des environnements de haute performance sont confrontés à un stress thermique important. Les variations de la température ambiante influencent de manière critique la stabilité électrothermique, la mobilité des porteurs, les courants de fuite et les figures de mérite RF. Bien que les effets de température aient été analysés pour les FinFET et les structures JL-GAA, les investigations sur la sensibilité thermique des n-JL-CombFET restent limitées, créant une lacune dans la compréhension de leur robustesse pour les applications à haute fréquence de nouvelle génération.

Méthodologie
Cette étude emploie une investigation numérique utilisant des simulations TCAD 3D bien calibrées (Synopsys TCAD SDE) pour analyser l'impact de la température ambiante sur un n-Junctionless (JL)-CombFET à longueur de canal de 14 nm. Le cadre de simulation intègre :

• Structure du dispositif : Un canal en forme de peigne avec une seule aile (fin) et plusieurs ponts, entouré d'une pile de grille.
• Modèles physiques : Le transport des porteurs est modélisé à l'aide de l'approche hydrodynamique pour capturer le flux d'énergie et les effets non locaux. Le confinement quantique est inclus via le potentiel eQuantum pour les épaisseurs de pont inférieures à 10 nm. Les variations de mobilité sont gérées par le modèle PhuMob, tandis que le modèle oldSlotboom corrige la densité de porteurs dans les régions fortement dopées. La recombinaison Shockley-Read-Hall (SRH) est prise en compte.
• Calibration : Les modèles sont calibrés par rapport aux résultats expérimentaux de la littérature existante (Réf. [17]) en ajustant les paramètres Phumob (mumax, mumin), la fonction de travail et les charges piégées.
• Variables : L'étude évalue les métriques RF sur une plage de température de 280 K à 380 K. L'écart de l'aile (fin gap, $F_g$) est varié en quatre étapes de 5 nm à 22 nm pour déterminer la performance optimale sous différentes conditions de stress thermique. Les paramètres du dispositif suivent les directives IRDS, avec une longueur de canal ($L_g$) de 14 nm et des concentrations de dopage de $1 \times 10^{19} \text{ cm}^{-3}$.

Résultats clés
Les résultats de la simulation démontrent une dégradation constante des performances RF à mesure que la température ambiante augmente de 280 K à 380 K :

• Caractéristiques DC : Dans l'état ON, le courant de drain de crête ($I_d$) diminue de $5,5 \times 10^{-5}$ A à $4,4 \times 10^{-5}$ A (soit une réduction d'environ 15 %), et la transconductance de crête ($g_m$) chute d'environ 18 %. Ceci est attribué à la dominance de la diffusion par phonons qui réduit la mobilité des porteurs. Inversement, la fuite à l'état OFF augmente en raison d'une génération thermique accrue de porteurs.
• Coefficient de température nul (ZTC) : Un point ZTC, où les décalages de tension de seuil induits par la température et la dégradation de la mobilité se compensent mutuellement, a été extrait pour tous les écarts d'aile. La performance ZTC optimale pour $I_d$ et $g_m$ a été observée pour un écart d'aile de 10 nm.
• Capacité et gain : La capacité de grille maximale ($C_{gg\_max}$) diminue de 13 à 19 % avec l'augmentation de la température. Le facteur de génération de transconductance (TGF), représentant l'efficacité de la transconductance, décline de près de 28 % (passant d'environ 40 $\text{V}^{-1}$ à environ 29 $\text{V}^{-1}$).
• Figures de mérite RF :
  • Fréquence de coupure ($f_T$) : $f_T$ chute d'environ 11,4 % (de 350 GHz à 310 GHz) lorsque la température augmente. La $f_T$ maximale pour un écart de 5 nm passe de ~345 MHz à ~330 MHz, tandis qu'un écart de 22 nm montre une chute plus significative de ~165 MHz à ~145 MHz.
  • Fréquence d'oscillation maximale ($f_{max}$) : $f_{max}$ se dégrade de ~600 GHz à ~530 GHz respectivement à 280 K et 380 K pour un écart de 5 nm.
  • Produit de fréquence de transconductance (TFP) : Le TFP de crête diminue d'environ 21 % (de ~2900 GHz/V à ~2300 GHz/V) sur la plage de température.
  • Gain disponible maximal (MAG) : Le MAG diminue de ~70 dB à ~65 dB dans le régime basse fréquence, le croisement à 0 dB se produisant à des fréquences plus basses pour des températures plus élevées.

Signification et revendications
L'article affirme que l'architecture n-JL-CombFET préserve l'intégrité électrostatique même sous stress thermique, ce qui en fait un candidat robuste pour les applications 6G à haute fréquence. Cependant, l'étude souligne que les performances sont très sensibles à la température ambiante, principalement en raison de la dégradation de la mobilité des porteurs.

La contribution primaire de ce travail est l'identification de l'écart d'aile comme un paramètre ajustable pour optimiser les performances du dispositif sous des conditions thermiques variables. Plus précisément, les auteurs concluent qu'un écart d'aile de 10 nm offre la meilleure performance ZTC, permettant l'optimisation des performances RF à travers différentes températures ambiantes. Les conclusions soulignent la nécessité de stratégies de conception tenant compte de la température dans l'intégration 3D monolithique afin d'atténuer les effets néfastes des températures de fonctionnement élevées sur l'efficacité RF. Bien que le dispositif soit prometteur sous des conditions thermiques contrôlées, son aptitude pour les environnements à haute température est limitée sans de telles optimisations structurelles.