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

技術要約：周囲温度の変化に伴うn-JL (Junctionless) CombFETのRF性能に関する調査

問題提起
トランジスタの寸法が極微細化（sub-5-nm）が進むにつれ、短チャネル効果を抑制するための強力な静電制御が極めて重要になっています。Gate-All-Around (GAA) アーキテクチャは優れた静電的完全性を提供しますが、将来の6Gシステムにおける駆動電流の要求を満たすためには、垂直に積み重ねられたチャネルが必要となる場合が多くあります。しかし、チャネルの積層数を増やすことは、寄生容量やプロセス複雑性を悪化させます。この課題に対処するため、CombFETアーキテクチャは、レイアウトのフットプリントを増やすことなく、電流駆動能とRF性能を向上させるために、Fin状のチャネルと垂直に積層されたGAAチャネルを統合しています。これらの利点がある一方で、高パフォーマンス環境下で動作するデバイスは、重大な熱ストレスに直面します。周囲温度の変化は、電気熱的安定性、キャリア移動度、リーク電流、およびRF性能指標に決定的な影響を与えます。FinFETやJL-GAA構造については温度効果が分析されていますが、n-JL-CombFETの熱感受性に関する調査は限定的であり、次世代の高周波アプリケーションに対するその堅牢性の理解における空白を生んでいます。

手法
本研究では、14 nmチャネル長を持つn-Junctionless (JL)-CombFETに対する周囲温度の影響を分析するために、高度に校正された3D TCADシミュレーション（Synopsys TCAD SDE）を用いた数値的調査を採用しています。シミュレーションフレームワークには以下が含まれます：

• デバイス構造: 単一のフィンと複数のブリッジを持つコーム形状のチャネルと、それを取り囲むゲートスタック。
• 物理モデル: キャリア輸送は、エネルギーフラックスと非局所的効果を捉えるために流体力学（hydrodynamic）アプローチを用いてモデリングされています。ブリッジ厚が10 nm未満の場合、量子閉じ込めはeQuantumポテンシャルを介して含まれます。移動度の変化はPhumobモデルによって処理され、高ドープ領域におけるキャリア密度はoldSlotboomモデルによって補正されます。Shockley-Read-Hall (SRH) 再結合も考慮されています。
• 校正: モデルは、Phumobパラメータ（$\mu_{max}$, $\mu_{min}$）、仕事関数、およびトラップ電荷を調整することにより、既存の文献（Ref. [17]）からの実験結果に対して校正されています。
• 変数: 本研究では、温度範囲280 Kから380 KにわたってRF指標を評価します。熱ストレス条件下での最適性能を決定するために、フィンギャップ（$F_g$）を5 nmから22 nmまで4段階で変化させます。デバイスパラメータはIRDSガイドラインに従い、チャネル長（$L_g$）は14 nm、ドープ濃度は$1 \times 10^{19} \text{ cm}^{-3}$としています。

主な結果
シミュレーション結果は、周囲温度が280 Kから380 Kに上昇するにつれて、RF性能が一貫して低下することを示しています：

• DC特性: ON状態において、ピークドレイン電流（$I_d$）は$5.5 \times 10^{-5}$ Aから$4.4 \times 10^{-5}$ Aへ（約15%の減少）、ピーク相互コンダクタンス（$g_m$）は約18%低下します。これは、支配的なフォノン散乱によるキャリア移動度の減少に起因します。逆に、OFF状態のリーク電流は、熱的なキャリア生成の増加により増大します。
• ゼロ温度係数 (ZTC): 温度誘起の閾値電圧シフトと移動度低下が互いに補償し合うZTC点を、すべてのフィンギャップに対して抽出しました。$I_d$および$g_m$の両方において、最適なZTC性能はフィンギャップ10 nmで観察されました。
• 容量およびゲイン: 最大ゲート容量（$C_{gg\_max}$）は、温度上昇に伴い13–19%減少します。相互コンダクタンス効率を表すトランスジェネレーション係数（TGF）は、約40 $V^{-1}$から約29 $V^{-1}$へと、ほぼ28%低下します。
• RF性能指標:
  • 遮断周波数 ($f_T$): 温度上昇に伴い、$f_T$は約11.4%（350 GHzから310 GHzへ）低下します。5 nmのフィンギャップにおける最大$f_T$は、約345 MHzから約330 MHzに減少する一方、22 nmのギャップでは約165 MHzから約145 MHzへとより顕著な低下を示します。
  • 最大発振周波数 ($f_{max}$): 5 nmのフィンギャップにおいて、$f_{max}$は280 Kでの約600 GHzから380 Kでの約530 GHzへと劣化します。
  • 相互コンダクタンス周波数積 (TFP): ピークTFPは、温度範囲全体で約21%（約2900 GHz/Vから約2300 GHz/Vへ）減少します。
  • 最大利用可能利得 (MAG): 低周波数領域において、MAGは〜70 dBから〜65 dBへと減少し、0 dBの交差点は高温時により低い周波数で発生します。

意義および主張
本論文は、n-JL-CombFETアーキテクチャが熱ストレス下でも静電的完全性を維持し、高周波6Gアプリケーションの堅牢な候補であることを主張しています。しかし、本研究は、性能が主にキャリア移動度の低下によって駆動されるため、周囲温度に対して非常に敏感であることを強調しています。

本研究の主要な貢献は、変動する熱条件下でのデバイス性能を最適化するための調整可能なパラメータとして、フィンギャップを特定したことです。具体的には、著者らは、フィンギャップ10 nmが最高のZTC性能をもたらし、異なる周囲温度におけるRF性能の最適化を可能にすると結論付けています。これらの知見は、上昇する動作温度による悪影響を緩和するために、モノリシック3D集積における温度を考慮した設計戦略が必要であることを浮き彫りにしています。本デバイスは制御された熱条件下では有望ですが、このような構造的最適化なしには、高温環境下での適合性は限定的です。