[論文レビュー] A Dynamically Configurable Silicon Nanowire Field Effect Transistor based on Electrically Doped Source/Drain

Chitrakant Sahu, Avinash Lahgere+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2014

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、電圧制御によるドーピング領域を有する動的に設定可能なシリコンナノワイヤFETを提案している。このFETは、極性ゲートによって制御される電気的ドーピングを施したソース・ドレイン領域により、MOSFETモードとTFETモードの間を切り替える。外部バイアスをこのゲートに印加することで、MOSFETモードでは高いオン電流（35 µA）を達成し、TFETモードでは急峻なサブスクリティカルスイング（約24 mV/dec）と超低オフ電流（約10⁻¹⁹ A）を実現する。これにより、高性能かつ低消費電力なSoC応用に適した1つのデバイスとしての利用が可能となる。

ABSTRACT

In this article, we present a configurable field-effect transistor (FET), where not only polarity (n- and p-type), but the conduction mechanism of a FET can also be configured dynamically. As a result, we can have both types of devices, high-performance MOSFET and low-power TFET, for computational and power efficient system on chip (SoC) products. The calibrated 3D-TCAD simulation results validate characteristics and functionalities of the configurable FET, and showed good consistency with the static conventional MOSFET (or TFET).

研究の動機と目的

• 1つのFETが、システムオンチップ（SoC）統合に柔軟性を与えるために、MOSFETとTFETの導電メカニズムを動的に切り替えられるように開発すること。
• 従来のドーピング手法の制限を克服し、急峻なジャンクションを回避するとともに、低ドーピングなシリコンボディによってランダムドーパントフラクチュエーション（RDF）を低減すること。
• 固定されたイオンインプラントに代わって、外部ゲートバイアスによって極性および導電メカニズムを再設定可能にすること。
• 1つのデバイス構造で高い性能（高いION）と低消費電力（低いIOFF）の両方を達成すること。

提案手法

• デバイスは、ニッケルシリサイド（NiSi）をソース・ドレイン接触部とし、0.45 eVの障壁高さを有する均一に低ドーピングされた超薄型シリコンナノワイヤボディを採用している。
• 2つのゲート電極を用いる：中央の制御ゲート（CG）はスイッチングに使用され、ソースおよびドレイン側に配置された2つの側面的極性ゲート（PGs）は、n⁺またはp⁺領域を電気的に誘導する。
• キャリアの種別および導電メカニズムは、極性ゲートバイアスを変化させることで動的に制御される：両方のPGに+1.2 Vを印加するとn⁺-インテリジェント-n⁺（MOSFETモード）が形成され、非対称バイアス（例：+1.2 Vおよび-1.2 V）を印加するとn⁺-インテリジェント-p⁺（TFETモード）が形成される。
• 3次元TCADシミュレーションはATLASを用い、MOSFETには流体力学的輸送モデル、TFETには非局所的バンドギャップトンネルモデルを適用し、デバイスの物理的挙動を正確に再現した。
• さまざまなゲートバイアス条件下でのトランスファ特性およびバンド図をシミュレートし、動的再設定および性能指標の妥当性を検証した。
• ION、IOFF、サブスクリティカルスイング、ION/IOFF比を用いてデバイスの性能を評価し、高性能および低消費電力応用への適性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気的ドーピングを施したソース・ドレイン領域を用いることで、1つのシリコンナノワイヤFETがMOSFETおよびTFETの導電メカニズムを動的に切り替えられるか？
• RQ2 イオンインプラントを用いない状況下で、外部極性ゲートバイアスがキャリアの種別および導電メカニズムをどのように制御するか？
• RQ3 同じデバイス内で、MOSFETモードにおけるオン電流とTFETモードにおけるサブスクリティカルスイング／オフ電流の性能トレードオフはどのように変化するか？
• RQ4 設定可能なFETが、同時に高いIONと超低IOFFを達成する程度はどの程度か。これにより二重機能が実現可能か？
• RQ5 極性ゲートおよび追加の金属積層を導入することによって生じる寄生効果およびプロセス的課題は何か？

主な発見

• 設定可能なFETは、TFETモードで約24 mV/decの急峻なサブスクリティカルスイングを達成しており、優れたゲート制御性と低リーク電流を示している。
• TFETモードにおけるオフ状態電流（IOFF）は10⁻¹⁹ Aにまで低減されており、優れた電力効率性を示している。
• MOSFETモードにおけるオン状態電流（ION）は35 µAに達しており、高速動作に適した高い性能を示している。
• ION（MOSFET）とIOFF（TFET）の比は10¹³オーダーに達しており、デバイスが高性能および低消費電力の両方の役割を果たせることが確認された。
• 極性ゲートバイアスの調整により、MOSFETとTFET動作の間をシミュレーション結果と整合的に遷移させることができた。
• 主な制限要因は、追加の極性ゲートおよび金属積層に起因する寄生効果の増大であり、適切な統合と絶縁処理が不可欠である。