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

Technische Samenvatting: Onderzoek naar de RF-prestaties van n-JL (Junctionless) CombFET bij variaties in de omgevingstemperatuur

Probleemstelling
Naarmate de afmetingen van transistoren de diep geschaalde regime bereiken (sub-5-nm), is het bereiken van een sterke elektrostatische controle cruciaal om short-channel effecten te beperken. Hoewel Gate-All-Around (GAA) architecturen een superieure elektrostatische integriteit bieden, vereisen de drive-stroomvereisten voor toekomstige 6G-systemen vaak verticaal gestapelde kanalen. Het verhogen van het aantal gestapelde kanalen verergert echter de parasitaire capaciteit en de procescomplexiteit. Om dit aan te pakken, integreert de CombFET-architectuur Fin-achtige kanalen met verticaal gestapelde GAA-kanalen om de stroomstuurbaarheid en RF-prestaties te verbeteren zonder de lay-outvoetafdruk te vergroten. Ondanks deze voordelen worden apparaten die in omgevingen met hoge prestaties werken, geconfronteerd met aanzienlijke thermische stress. Variaties in de omgevingstemperatuur beïnvloeden de elektrothermische stabiliteit, ladingsdragersmobiliteit, lekstromen en RF-prestatiecijfers kritiek. Hoewel temperatuur-effecten zijn geanalyseerd voor FinFET's en JL-GAA-structuren, blijft onderzoek naar de thermische gevoeligheid van n-JL-CombFET's beperkt, wat een gat creëert in het begrip van hun robuustheid voor hoogfrequente toepassingen van de volgende generatie.

Methodologie
Deze studie maakt gebruik van een numerieke investigatie met behulp van goed gekalibreerde 3D TCAD-simulaties (Synopsys TCAD SDE) om de impact van de omgevingstemperatuur op een 14 nm kanaallengte n-Junctionless (JL)-CombFET te analyseren. Het simulatiekader omvat:

• Device-structuur: Een kamvormig kanaal met één fin en meerdere bruggen, omgeven door een gate-stack.
• Fysische modellen: Ladingsdragers-transport wordt gemodelleerd met de hydrodynamische benadering om energieflux en niet-lokale effecten te vangen. Kwantumconfinement is inbegrepen via de eQuantum-potentiaal voor brugdiktes onder de 10 nm. Variaties in mobiliteit worden afgehandeld door het PhuMob-model, terwijl het oldSlotboom-model de ladingsdragersdichtheid in sterk gedoteerde regio's corrigeert. Shockley-Read-Hall (SRH) recombinatie wordt meegenomen.
• Kalibratie: De modellen zijn gekalibreerd tegen experimentele resultaten uit bestaande literatuur (Ref. [17]) door Phumob-parameters ($\mu_{max}$, $\mu_{min}$), werkfunctie en gevangen ladingen aan te passen.
• Variabelen: De studie evalueert RF-metrieken over een temperatuurbereik van 280 K tot 380 K. De fin-gap ($F_g$) wordt in vier stappen gevarieerd van 5 nm tot 22 nm om de optimale prestaties onder verschillende thermische stresscondities te bepalen. Device-parameters volgen de IRDS-richtlijnen, met een kanaallengte ($L_g$) van 14 nm en dopingconcentraties van $1 \times 10^{19} \text{ cm}^{-3}$.

Belangrijkste Resultaten
De simulatie-resultaten tonen een consistente degradatie in RF-prestaties naarmate de omgevingstemperatuur stijgt van 280 K naar 380 K:

• DC-karakteristieken: In de ON-toestand neemt de piek-drainstroom ($I_d$) af van $5,5 \times 10^{-5}$ A naar $4,4 \times 10^{-5}$ A (ongeveer 15% reductie), en de piek-transconductantie ($g_m$) daalt met ongeveer 18%. Dit wordt toegeschreven aan dominante fonon-verstrooiing die de ladingsdragersmobiliteit vermindert. Omgekeerd neemt de OFF-toestand lekstroom toe door verhoogde thermische ladingsdragergeneratie.
• Zero Temperature Coefficient (ZTC): Een ZTC-punt, waarbij temperatuur-geïnduceerde drempelspanning-verschuivingen en mobiliteitsdegradatie elkaar compenseren, is geëxtraheerd voor alle fin-gaps. De optimale ZTC-prestatie voor zowel $I_d$ als $g_m$ werd waargenomen bij een fin-gap van 10 nm.
• Capaciteit en Gain: De maximale gate-capaciteit ($C_{gg\_max}$) neemt af met 13–19% bij stijgende temperatuur. De Trans Generation Factor (TGF), die de transconductantie-efficiëntie vertegenwoordigt, daalt met bijna 28% (van ~40 $V^{-1}$ naar ~29 $V^{-1}$).
• RF-prestatiecijfers:
  • Afknopfrequentie ($f_T$): $f_T$ daalt met ongeveer 11,4% (van 350 GHz naar 310 GHz) wanneer de temperatuur stijgt. De maximale $f_T$ voor een 5 nm fin-gap neemt af van ~345 MHz naar ~330 MHz, terwijl een 22 nm gap een significantere daling laat zien van ~165 MHz naar ~145 MHz.
  • Maximale oscillatiefrequentie ($f_{max}$): $f_{max}$ degradeert van ~600 GHz naar ~530 GHz bij respectievelijk 280 K en 380 K voor een 5 nm fin-gap.
  • Transconductantie-frequentieproduct (TFP): Het piek-TFP vermindert met ongeveer 21% (van ~2900 GHz/V naar ~2300 GHz/V) over het temperatuurbereik.
  • Maximale beschikbare gain (MAG): MAG neemt af van ~70 dB naar ~65 dB in het laagfrequente regime, waarbij de 0 dB-crossing optreedt bij lagere frequenties voor hogere temperaturen.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat de n-JL-CombFET-architectuur de elektrostatische integriteit behoudt, zelfs onder thermische stress, wat het een robuuste kandidaat maakt voor hoogfrequente 6G-toepassingen. De studie benadrukt echter dat de prestaties zeer gevoelig zijn voor de omgevingstemperatuur, primair gedreven door de degradatie van de ladingsdragersmobiliteit.

De primaire bijdrage van dit werk is de identificatie van de fin-gap als een regelbare parameter om de device-prestaties te optimaliseren onder variërende thermische condities. Specifiek concluderen de auteurs dat een fin-gap van 10 nm de hoogste ZTC-prestatie oplevert, waardoor de RF-prestaties over verschillende omgevingstemperaturen kunnen worden geoptimaliseerd. De bevindingen onderstrepen de noodzaak van temperatuur-bewuste ontwerpstrategieën in monolithische 3D-integratie om de nadelige effecten van verhoogde bedrijfstemperaturen op de RF-efficiëntie te mitigeren. Hoewel het device veelbelovend is onder gecontroleerde thermische condities, is de geschiktheid voor omgevingen met hoge temperaturen beperkt zonder dergelijke structurele optimalisaties.