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

Resumo Técnico: Investigação do Desempenho de RF do n-JL (Junctionless) CombFET com Variações de Temperatura Ambiente

Definição do Problema
À medida que as dimensões dos transistores entram no regime profundamente escalonado (sub-5-nm), alcançar um controle eletrostático forte é crítico para mitigar efeitos de canal curto. Embora as arquiteturas Gate-All-Around (GAA) ofereçam uma integridade eletrostática superior, os requisitos de corrente de acionamento para futuros sistemas 6G frequentemente necessitam de canais empilhados verticalmente. No entanto, aumentar o número de canais empilhados exacerba a capacitância parasitária e a complexidade do processo. Para abordar isso, a arquitetura CombFET integra canais do tipo Fin com canais GAA empilhados verticalmente para aumentar a capacidade de acionamento de corrente e o desempenho de RF sem aumentar a pegada do layout. Apesar dessas vantagens, dispositivos operando em ambientes de alto desempenho enfrentam estresse térmico significativo. As variações de temperatura ambiente influenciam criticamente a estabilidade eletrotérmica, a mobilidade de portadores, as correntes de fuga e as figuras de mérito de RF. Embora os efeitos de temperatura tenham sido analisados para FinFETs e estruturas JL-GAA, investigações sobre a sensibilidade térmica de n-JL-CombFETs permanecem limitadas, criando uma lacuna na compreensão de sua robustez para aplicações de alta frequência de próxima geração.

Metodologia
Este estudo emprega uma investigação numérica utilizando simulações 3D TCAD bem calibradas (Synopsys TCAD SDE) para analisar o impacto da temperatura ambiente em um n-Junctionless (JL)-CombFET com comprimento de canal de 14 nm. O framework de simulação incorpora:

• Estrutura do Dispositivo: Um canal em formato de pente com uma única "fin" e múltiplas pontes, cercado por um stack de porta (gate stack).
• Modelos Físicos: O transporte de portadores é modelado usando a abordagem hidrodinâmica para capturar o fluxo de energia e efeitos não locais. O confinamento quântico é incluído via potencial eQuantum para espessuras de ponte abaixo de 10 nm. As variações de mobilidade são tratadas pelo modelo PhuMob, enquanto o modelo oldSlotboom corrige a densidade de portadores em regiões altamente dopadas. A recombinação Shockley-Read-Hall (SRH) é contabilizada.
• Calibração: Os modelos são calibrados contra resultados experimentais de literatura existente (Ref. [17]) através do ajuste de parâmetros Phumob (mumax, mumin), função de trabalho e cargas presas.
• Variáveis: O estudo avalia métricas de RF em uma faixa de temperatura de 280 K a 380 K. O gap da fin ($F_g$) é variado em quatro etapas de 5 nm a 22 nm para determinar o desempenho ideal sob diferentes condições de estresse térmico. Os parâmetros do dispositivo seguem as diretrizes IRDS, com um comprimento de canal ($L_g$) de 14 nm e concentrações de dopagem de $1 \times 10^{19} \text{ cm}^{-3}$.

Principais Resultados
Os resultados da simulação demonstram uma degradação consistente no desempenho de RF conforme a temperatura ambiente aumenta de 280 K para 380 K:

• Características DC: No estado ON, a corrente de dreno de pico ($I_d$) diminui de $5,5 \times 10^{-5}$ A para $4,4 \times 10^{-5}$ A (redução de aproximadamente 15%), e a transcondutância de pico ($g_m$) cai aproximadamente 18%. Isso é atribuído ao espalhamento de fônons dominante reduzindo a mobilidade dos portadores. Inversamente, a fuga no estado OFF aumenta devido ao aumento da geração térmica de portadores.
• Coeficiente de Temperatura Zero (ZTC): Um ponto ZTC, onde o deslocamento da tensão de limiar induzido pela temperatura e a degradação da mobilidade se compensam, foi extraído para todos os gaps da fin. O desempenho ZTC ideal tanto para $I_d$ quanto para $g_m$ foi observado em um gap da fin de 10 nm.
• Capacitância e Ganho: A capacitância de porta máxima ($C_{gg\_max}$) diminui de 13 a 19% com o aumento da temperatura. O Fator de Geração de Transcondutância (TGF), que representa a eficiência da transcondutância, declina quase 28% (de ~40 $V^{-1}$ para ~29 $V^{-1}$).
• Figuras de Mérito de RF:
  • Frequência de Corte ($f_T$): $f_T$ cai aproximadamente 11,4% (de 350 GHz para 310 GHz) conforme a temperatura sobe. O $f_T$ máximo para um gap de fin de 5 nm diminui de ~345 MHz para ~330 MHz, enquanto um gap de 22 nm mostra uma queda mais significativa de ~165 MHz para ~145 MHz.
  • Frequência Máxima de Oscilação ($f_{max}$): $f_{max}$ degrada de ~600 GHz para ~530 GHz em 280 K e 380 K, respectivamente, para um gap de fin de 5 nm.
  • Produto de Frequência de Transcondutância (TFP): O pico de TFP reduz cerca de 21% (de ~2900 GHz/V para ~2300 GHz/V) ao longo da faixa de temperatura.
  • Ganho Máximo Disponível (MAG): O MAG diminui de ~70 dB para ~65 dB no regime de baixa frequência, com o cruzamento de 0 dB ocorrendo em frequências mais baixas para temperaturas mais altas.

Significância e Alegações
O artigo alega que a arquitetura n-JL-CombFET preserva a integridade eletrostática mesmo sob estresse térmico, tornando-a uma candidata robusta para aplicações de alta frequência 6G. No entanto, o estudo ressalta que o desempenho é altamente sensível à temperatura ambiente, sendo impulsionado principalmente pela degradação da mobilidade dos portadores.

A principal contribuição deste trabalho é a identificação do gap da fin como um parâmetro ajustável para otimizar o desempenho do dispositivo sob variações de condições térmicas. Especificamente, os autores concluem que um gap da fin de 10 nm produz o maior desempenho ZTC, permitindo a otimização do desempenho de RF sob diferentes temperaturas ambientes. As descobertas destacam a necessidade de estratégias de design conscientes da temperatura em integração 3D monolítica para mitigar os efeitos adversos das temperaturas de operação elevadas no desempenho de RF. Embora o dispositivo seja promissor sob condições térmicas controladas, sua adequação para ambientes de alta temperatura é limitada sem tais otimizações estruturais.