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

तकनीकी सारांश: परिवेशी तापमान के परिवर्तनों के साथ n-JL (जंक्शनलेस) CombFET के RF प्रदर्शन का अन्वेषण

समस्या विवरण
जैसे-जैसे ट्रांजिस्टर के आयाम अत्यंत सूक्ष्म स्तर (sub-5-nm) में प्रवेश कर रहे हैं, शॉर्ट-चैनल प्रभावों को कम करने के लिए मजबूत इलेक्ट्रोस्टैटिक नियंत्रण प्राप्त करना महत्वपूर्ण हो गया है। जबकि गेट-ऑल-अराउंड (GAA) आर्किटेक्चर बेहतर इलेक्ट्रोस्टैटिक अखंडता प्रदान करते हैं, भविष्य के 6G सिस्टमों की ड्राइव करंट आवश्यकताओं के लिए अक्सर वर्टिकली स्टैक्ड चैनलों की आवश्यकता होती है। हालांकि, स्टैक्ड चैनलों की संख्या बढ़ाने से परजीवी धारिता (parasitic capacitance) और प्रक्रिया जटिलता बढ़ जाती है। इस समस्या के समाधान के लिए, CombFET आर्किटेक्चर लेआउट फुटप्रिंट को बढ़ाए बिना करंट ड्रिवेबिलिटी और RF प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए वर्टिकली स्टैक्ड GAA चैनलों के साथ Fin-जैसे चैनलों को एकीकृत करता है। इन लाभों के बावजूद, उच्च-प्रदर्शन वाले वातावरण में काम करने वाले उपकरणों को महत्वपूर्ण थर्मल तनाव का सामना करना पड़ता है। परिवेशी तापमान के परिवर्तन इलेक्ट्रोथर्मल स्थिरता, कैरियर मोबिलिटी, लीकेज करंट और RF फिगर्स ऑफ मेरिट को गंभीर रूप से प्रभावित करते हैं। हालांकि तापमान प्रभावों का विश्लेषण FinFETs और JL-GAA संरचनाओं के लिए किया गया है, n-JL-CombFETs की थर्मल संवेदनशीलता के अन्वेषण सीमित रहे हैं, जो अगली पीढ़ी के उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए उनकी मजबूती को समझने में एक अंतराल पैदा करता है।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन 14 nm चैनल-लंबाई वाले n-जंक्शनलेस (JL)-CombFET पर परिवेशी तापमान के प्रभाव का विश्लेषण करने के लिए सुव्यवस्थित 3D TCAD सिमुलेशन (Synopsys TCAD SDE) का उपयोग करके एक संख्यात्मक अन्वेषण नियोजित करता है। सिमुलेशन फ्रेमवर्क निम्नलिखित को शामिल करता है:

• डिवाइस संरचना: एक गेट स्टैक से घिरा हुआ एक सिंगल फिन और कई ब्रिज के साथ एक कॉम्ब-आकार का चैनल।
• भौतिक मॉडल: ऊर्जा फ्लक्स और नॉन-लोकल प्रभावों को कैप्चर करने के लिए कैरियर ट्रांसपोर्ट को हाइड्रोडायनामिक दृष्टिकोण का उपयोग करके मॉडल किया गया है। 10 nm से कम ब्रिज मोटाई के लिए क्वांटम कन्फाइनमेंट को eQuantum पोटेंशियल के माध्यम से शामिल किया गया है। मोबिलिटी विविधताओं को PhuMob मॉडल द्वारा संभाला जाता है, जबकि oldSlotboom मॉडल अत्यधिक डोप्ड क्षेत्रों में कैरियर डेंसिटी को ठीक करता है। शॉटकी-रीड-हॉल (SRH) रिकॉम्बिनेशन को भी ध्यान में रखा गया है।
• कैलिब्रेशन: मॉडलों को मौजूदा साहित्य (Ref. [17]) के प्रयोगात्मक परिणामों के विरुद्ध कैलिब्रेट किया गया है, जिसमें Phumob पैरामीटर्स (mumax, mumin), वर्क फंक्शन और ट्रैप्ड चार्जेस को समायोजित किया गया है।
• चर (Variables): अध्ययन 280 K से 380 K की तापमान रेंज में RF मेट्रिक्स का मूल्यांकन करता है। विभिन्न थर्मल स्ट्रेस स्थितियों के तहत इष्टतम प्रदर्शन निर्धारित करने के लिए फिन गैप ($F_g$) को पांच से 22 nm के बीच चार चरणों में बदला गया है। डिवाइस पैरामीटर्स IRDS दिशानिर्देशों का पालन करते हैं, जिसमें चैनल लंबाई ($L_g$) 14 nm और डोपिंग सांद्रता $1 \times 10^{19} \text{ cm}^{-3}$ है।

मुख्य परिणाम
सिमुलेशन परिणाम परिवेशी तापमान के 280 K से 380 K तक बढ़ने के साथ RF प्रदर्शन में निरंतर गिरावट प्रदर्शित करते हैं:

• DC विशेषताएँ: ON-स्टेट में, पीक ड्रेन करंट ($I_d$) $5.5 \times 10^{-5}$ A से घटकर $4.4 \times 10^{-5}$ A (लगभग 15% की कमी) हो जाता है, और पीक ट्रांसकंडक्टेंस ($g_m$) लगभग 18% गिर जाता है। यह मुख्य रूप से डोमिनेंट फोनन स्कैटरिंग के कारण कैरियर मोबिलिटी में कमी के कारण होता है। इसके विपरीत, एन्हांस्ड थर्मल कैरियर जनरेशन के कारण OFF-स्टेट लीकेज बढ़ जाता है।
• जीरो टेम्परेचर कोएफिशिएंट (ZTC): एक ZTC बिंदु, जहाँ तापमान-प्रेरित थ्रेशोल्ड वोल्टेज शिफ्ट और मोबिलिटी डिग्रेडेशन एक-दूसरे की भरपाई करते हैं, सभी फिन गैप्स के लिए निकाला गया था। $I_d$ और $g_m$ दोनों के लिए इष्टतम ZTC प्रदर्शन 10 nm के फिन गैप पर देखा गया।
• धारिता और गेन: बढ़ते तापमान के साथ अधिकतम गेट कैपेसिटेंस ($C_{gg\_max}$) में 13–19% की कमी आती है। ट्रांस कंडक्टेंस जेनरेशन फैक्टर (TGF), जो ट्रांसकंडक्टेंस दक्षता का प्रतिनिधित्व करता है, लगभग 28% (~40 $V^{-1}$ से ~29 $V^{-1}$) गिर जाता है।
• RF फिगर्स ऑफ मेरिट:
  • कट-ऑफ फ्रीक्वेंसी ($f_T$): तापमान बढ़ने पर $f_T$ लगभग 11.4% (350 GHz से 310 GHz) गिर जाता है। 5 nm फिन गैप के लिए अधिकतम $f_T$ तापमान बढ़ने पर ~345 MHz से ~330 MHz हो जाता है, जबकि 22 nm गैप ~165 MHz से ~145 MHz तक अधिक महत्वपूर्ण गिरावट दिखाता है।
  • मैक्सिमम ऑसिलेशन फ्रीक्वेंसी ($f_{max}$): 5 nm फिन गैप के लिए 280 K और 380 K पर क्रमशः ~600 GHz से ~530 GHz तक $f_{max}$ घट जाता है।
  • ट्रांसकंडक्टेंस फ्रीक्वेंसी प्रोडक्ट (TFP): पीक TFP तापमान रेंज के दौरान लगभग 21% (~2900 GHz/V से ~2300 GHz/V) कम हो जाता है।
  • मैक्सिमम एवेलेबल गेन (MAG): लो-फ्रीक्वेंसी रिजीम में MAG ~70 dB से ~65 dB तक कम हो जाता है, और उच्च तापमान के लिए 0 dB क्रॉसिंग कम आवृत्तियों पर होती है।

महत्व और दावे
पेपर यह दावा करता है कि n-JL-CombFET आर्किटेक्चर थर्मल स्ट्रेस के तहत भी इलेक्ट्रोस्टैटिक अखंडता बनाए रखता है, जो इसे उच्च-आवृत्ति 6G अनुप्रयोगों के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बनाता है। हालांकि, अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि प्रदर्शन परिवेशी तापमान के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है, जो मुख्य रूप से कैरियर मोबिलिटी डिग्रेडेशन द्वारा संचालित है।

इस कार्य का प्राथमिक योगदान फिन गैप की पहचान करना है जिसे विभिन्न थर्मल स्थितियों के तहत डिवाइस प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए एक ट्यूनेबल पैरामीटर के रूप में उपयोग किया जा सकता है। विशेष रूप से, लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि 10 nm का फिन गैप उच्चतम ZTC प्रदर्शन प्रदान करता है, जिससे विभिन्न परिवेशी तापमानों के तहत RF प्रदर्शन का अनुकूलन संभव होता है। निष्कर्ष यह रेखांकित करते हैं कि उच्च-आवृत्ति दक्षता पर बढ़ते ऑपरेटिंग तापमान के प्रतिकूल प्रभावों को कम करने के लिए मोनोलिथिक 3D इंटीग्रेशन में तापमान-जागरूक डिजाइन रणनीतियों की आवश्यकता है। हालांकि डिवाइस नियंत्रित थर्मल स्थितियों में आशाजनक है, लेकिन संरचनात्मक अनुकूलन के बिना उच्च-तापमान वातावरण के लिए इसकी उपयुक्तता सीमित है।