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

Sintesi Tecnica: Investigazione delle prestazioni RF di un n-JL (Junctionless) CombFET con variazioni della temperatura ambiente

Definizione del Problema
Man mano che le dimensioni dei transistor entrano nel regime di scala ultra-spinta (sub-5 nm), il raggiungimento di un forte controllo elettrostatico diventa critico per mitigare gli effetti di canale corto. Sebbene le architetture Gate-All-Around (GAA) offrano un'integrità elettrostatica superiore, i requisiti di corrente di pilotaggio per i futuri sistemi 6G richiedono spesso canali impilati verticalmente. Tuttavia, l'aumento del numero di canali impilati esacerba la capacità parassita e la complessità del processo. Per affrontare questo problema, l'architettura CombFET integra canali di tipo Fin con canali GAA impilati verticalmente per migliorare la pilotabilità della corrente e le prestazioni RF senza aumentare l'impronta del layout. Nonostante questi vantaggi, i dispositivi che operano in ambienti ad alte prestazioni affrontano uno stress termico significativo. Le variazioni della temperatura ambiente influenzano criticamente la stabilità elettrotermica, la mobilità dei portatori, le correnti di fuga e i parametri di merito RF. Sebbene gli effetti della temperatura siano stati analizzati per i FinFET e le strutture JL-GAA, le investigazioni sulla sensibilità termica degli n-JL-CombFET rimangono limitate, creando una lacuna nella comprensione della loro robustezza per le applicazioni ad alta frequenza di prossima generazione.

Metodologia
Questo studio impiega un'indagine numerica utilizzando simulazioni TCAD 3D ben calibrate (Synopsys TCAD SDE) per analizzare l'impatto della temperatura ambiente su un n-Junctionless (JL)-CombFET con canale di 14 nm. Il framework di simulazione incorpora:

• Struttura del Dispositivo: Un canale a forma di pettine con una singola fin e molteplici ponti (bridges), circondato da uno stack di gate.
• Modelli Fisici: Il trasporto dei portatori è modellato utilizzando l'approccio idrodinamico per catturare il flusso di energia e gli effetti non locali. Il confinamento quantistico è incluso tramite il potenziale eQuantum per spessori dei ponti inferiori a 10 nm. Le variazioni di mobilità sono gestite dal modello PhuMob, mentre il modello oldSlotboom corregge la densità dei portatori nelle regioni altamente drogate. La ricombinazione Shockley-Read-Hall (SRH) è presa in considerazione.
• Calibrazione: I modelli sono calibrati rispetto ai risultati sperimentali della letteratura esistente (Ref. [17]) regolando i parametri Phumob (mumax, mumin), la funzione di lavoro e le cariche intrappolate.
• Variabili: Lo studio valuta le metriche RF in un intervallo di temperatura da 280 K a 380 K. Il gap della fin ($F_g$) viene variato in quattro step da 5 nm a 22 nm per determinare le prestazioni ottimali sotto diverse condizioni di stress termico. I parametri del dispositivo seguono le linee guida IRDS, con una lunghezza del canale ($L_g$) di 14 nm e concentrazioni di drogaggio di $1 \times 10^{19} \text{ cm}^{-3}$.

Risultati Chiave
I risultati della simulazione dimostrano un degrado costante delle prestazioni RF all'aumentare della temperatura ambiente da 280 K a 380 K:

• Caratteristiche DC: Nello stato ON, la corrente di drain di picco ($I_d$) diminuisce da $5,5 \times 10^{-5}$ A a $4,4 \times 10^{-5}$ A (una riduzione di circa il 15%), e la transconduttanza di picco ($g_m$) scende di circa il 18%. Ciò è attribuito allo scattering fononico dominante che riduce la mobilità dei portatori. Al contrario, la corrente di fuga nello stato OFF aumenta a causa della maggiore generazione termica di portatori.
• Coefficiente di Temperatura Zero (ZTC): Un punto ZTC, in cui lo spostamento della tensione di soglia indotto dalla temperatura e la degradazione della mobilità si compensano a vicenda, è stato estratto per tutti i gap della fin. La prestazione ZTC ottimale sia per $I_d$ che per $g_m$ è stata osservata con un gap della fin di 10 nm.
• Capacità e Guadagno: La capacità massima del gate ($C_{gg\_max}$) diminuisce del 13–19% con l'aumento della temperatura. Il Fattore di Generazione di Transconduttanza (TGF), che rappresenta l'efficienza della transconduttanza, declina di quasi il 28% (da ~40 $V^{-1}$ a ~29 $V^{-1}$).
• Parametri di Merito RF:
  • Frequenza di Taglio ($f_T$): $f_T$ scende di circa l'11,4% (da 350 GHz a 310 GHz) all'aumentare della temperatura. La $f_T$ massima per un gap della fin di 5 nm diminuisce da ~345 MHz a ~330 MHz, mentre un gap di 22 nm mostra un calo più significativo da ~165 MHz a ~145 MHz.
  • Frequenza di Massima Oscillazione ($f_{max}$): $f_{max}$ degrada da ~600 GHz a ~530 GHz rispettivamente a 280 K e 380 K per un gap della fin di 5 nm.
  • Prodotto di Transconduttanza-Frequenza (TFP): Il TFP di picco si riduce di circa il 21% (da ~2900 GHz/V a ~2300 GHz/V) nell'intervallo di temperatura.
  • Guadagno Massimo Disponibile (MAG): Il MAG diminuisce da ~70 dB a ~65 dB nel regime a bassa frequenza, con l'incrocio dello 0 dB che avviene a frequenze inferiori per temperature più elevate.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo afferma che l'architettura n-JL-CombFET preserva l'integrità elettrostatica anche sotto stress termico, rendendola un candidato robusto per le applicazioni ad alta frequenza 6G. Tuttavia, lo studio sottolinea che le prestazioni sono altamente sensibili alla temperatura ambiente, principalmente a causa della degradazione della mobilità dei portatori.

Il contributo primario di questo lavoro è l'identificazione del gap della fin come un parametro sintonizzabile per ottimizzare le prestazioni del dispositivo sotto variabili condizioni termiche. Nello specifico, gli autori concludono che un gap della fin di 10 nm fornisce la prestazione ZTC più elevata, consentendo l'ottimizzazione delle prestazioni RF attraverso diverse temperature ambienti. Le scoperte evidenziano la necessità di strategie di progettazione consapevole della temperatura nell'integrazione 3D monolitica per mitigare gli effetti avversi delle temperature operative elevate sull'efficienza RF. Sebbene il dispositivo sia promettente in condizioni termiche controllate, la sua idoneità per ambienti ad alta temperatura è limitata senza tali ottimizzazioni strutturali.