Analog/RF performance of Hexagonal Gate All Around Nanosheet FET with Spacer Engineering

Om het werk van deze onderzoekers te begrijpen, moet men zich eerst de minuscule schakelaars voorstellen die onze moderne wereld aandrijven. Dit zijn transistors, de fundamentele bouwstenen van computerchips. Decennialang hebben ingenieurs ze steeds kleiner gemaakt om meer vermogen in minder ruimte te verpakken. Echter, naarmate deze schakelaars krimpen tot de grootte van enkele atomen, beginnen ze zich onvoorspelbaar te gedragen. De elektrische signalen die zuiver door het apparaat zouden moeten stromen, beginnen te lekken, en de controle die de hoofdpoort heeft over de stroom van elektriciteit verzwakt. Dit is een probleem dat bekend staat als short-channel-effecten, en het dreigt de vooruitgang van snellere, efficiëntere elektronica te stilleggen. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers zich gericht op een ontwerp genaamd de Gate-All-Around Nanosheet Field-Effect Transistor. In deze structuur wordt het kanaal waar de elektriciteit doorheen stroomt volledig omringd door de gate, wat zorgt voor superieure controle. Toch zijn er, zelfs met deze geavanceerde vorm, andere onderdelen van het apparaat die de prestaties beïnvloeden, specifiek de spacers. Dit zijn isolerende lagen die nabij de bron- en drainuiteinden van de transistor zijn geplaatst. Hoewel ze lijken op eenvoudige opvullingen, bepalen hun materiaaleigenschappen hoeveel ongewenste elektrische capaciteit zich opbouwt, wat op zijn beurt beperkt hoe snel de schakelaar kan werken en hoe goed hij signalen kan versterken.

In een recente studie hebben de onderzoekers Lakshmana Chandana en Subba Rao Suddapalli van het Indian Institute of Information Technology Design and Manufacturing in Kurnool zich gericht op het optimaliseren van deze spacers om de best mogelijke prestaties uit deze nanosheet-transistors te persen. Ze waren geen fysieke chips aan het bouwen in een laboratorium, maar gebruikten krachtige computersimulaties om het gedrag van het apparaat te modelleren. Hun doel was om te zien of het veranderen van het materiaal van de spacer de capaciteit van de transistor kon verbeteren om analoge signalen en radiofrequenties te verwerken, wat cruciaal is voor alles van smartphonecommunicatie tot snelle gegevensverwerking. Ze begonnen met het testen van een enkele laag spacer-materiaal, waarbij ze drie veelvoorkomende opties vergeleken: siliciumdioxide, siliciumnitride en hafniumoxide. Ze ontdekten dat de keuze van het materiaal een duidelijk compromis creëerde. De siliciumdioxide-spacer, die een lage mate van het vermogen heeft om elektrische lading op te slaan, resulteerde in de snelste schakelsnelheden, waarbij een frequentie van 540,19 gigahertz werd bereikt. De siliciumnitride-spacer, die zich in het midden van het spectrum bevindt, bood echter de beste balans voor het versterken van signalen, door een hogere voltagesversterking te bieden. De hafniumoxide-spacer, hoewel goed voor het beheersen van de stroom, creëerde te veel elektrische interferentie om nuttig te zijn voor toepassingen met hoge snelheden.

De onderzoekers gingen vervolgens verder dan enkelvoudige lagen om een complexer idee te testen: het gebruik van twee verschillende materialen die op elkaar gestapeld zijn. Ze hadden de hypothese dat ze het beste van beide werelden konden krijgen door een materiaal met een lage ladingsopslag aan de buitenkant te plaatsen om interferentie te verminderen, en een materiaal met een matige ladingsopslag aan de binnenkant om de controle over het elektrische kanaal te behouden. Ze simuleerden verschillende combinaties, maar één specifieke opstelling bleek de duidelijke winnaar. Door een laag siliciumdioxide aan de buitenkant en een laag siliciumnitride aan de binnenkant te plaatsen, creëerden ze een hybride structuur die elke single-material optie overtrof. Dit dubbellaagse ontwerp stelde de transistor in staat om te schakelen op een frequentie van 580,96 gigahertz, een aanzienlijke sprong ten opzichte van het beste single-layer resultaat. Belangrijker nog, het verbeterde het vermogen van het apparaat om signalen te versterken drastisch. Het gain-frequency product, een maatstaf voor hoe goed het apparaat een signaal kan versterken terwijl het op hoge snelheden werkt, nam met bijna 30 procent toe vergeleken met de standaard siliciumdioxide-spacer.

Het succes van deze dubbellaagse aanpak komt voort uit de manier waarop de twee materialen samenwerken. De buitenste siliciumdioxide-laag fungeert als een schild, waardoor de parasitaire capaciteit die het apparaat vertraagt, wordt geminimaliseerd. Ondertussen zorgt de binnenste siliciumnitride-laag ervoor dat de gate een stevige grip behoudt op het elektrische kanaal, wat signaalverlies voorkomt en het versterkingsvermogen verhoogt. De simulaties toonden aan dat deze specifieke combinatie van materialen de algehele prestatieparameters over de hele linie verbeterde. De transconductantie-frequentie product, die gerelateerd is aan hoe efficiënt het apparaat de ingangsspanning in uitgangsstroom omzet bij hoge snelheden, steeg naar 6.720 gigahertz per volt. Het gain-transconductance-frequency product, een uitgebreide maatstaf voor analoge prestaties, bereikte 164.000 gigahertz per volt. Deze cijfers geven aan dat het apparaat niet alleen sneller is, maar ook efficiënter en krachtiger in zijn vermogen om complexe signalen te verwerken.

Hoewel de studie bevestigt dat deze dual-layer spacer engineering een zeer effectieve strategie is voor het verbeteren van nanosheet-transistors, is het belangrijk op te merken dat deze resultaten afkomstig zijn van computermodellen. De onderzoekers gebruikten een geavanceerde softwaretool om te voorspellen hoe het apparaat zou reageren, en hun simulaties werden zorgvuldig gecontroleerd tegen bestaande experimentele gegevens om nauwkeurigheid te garanderen. De bevindingen suggereren dat ingenieurs, door simpelweg de isolerende materialen rond de transistor te herschikken, de beperkingen van het gebruik van een enkel materiaal kunnen overwinnen. Deze aanpak biedt een duidelijke weg voorwaarts voor het ontwerpen van de volgende generatie elektronische componenten, waarbij snelheid en signaalhelderheid van cruciaal belang zijn. Het werk demonstreert dat zelfs in een wereld van krimpende componenten, de zorgvuldige selectie en ordening van materialen substantiële verbeteringen kan opleveren, waardoor de grenzen van wat deze microscopische schakelaars kunnen bereiken, worden verlegd.