[論文レビュー] Channel-Width Dependent Enhancement in Nanoscale Field Effect Transistor

Xihua Wang, Yu Chen+3 more|ArXiv.org|Feb 15, 2008

Nanowire Synthesis and Applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ナノスケールシリコンナノワイヤフィールド効果トランジスタ（FET）におけるチャネル幅の短縮が、表面対体積比の増加に起因してデバイス特性を顕著に向上させることを示している。電子線リソグラフィーとAl₂O₃の原子層堆積を用いたトップダウン型プロセスを採用し、幅が400 nmから100 nmに減少するに従い、単位幅あたりのトランスコンダクタンスが10倍に増加（6.31から61.4 nS/μm）することを実証した。これにより、超感度センシングおよび高性能論理動作が可能となった。

ABSTRACT

We report the observation of channel-width dependent enhancement in nanoscale field effect transistors containing lithographically-patterned silicon nanowires as the conduction channel. These devices behave as conventional metal-oxide-semiconductor field-effect transistors in reverse source drain bias. Reduction of nanowire width below 200 nm leads to dramatic change in the threshold voltage. Due to increased surface-to-volume ratio, these devices show higher transconductance per unit width at smaller width. Our devices with nanoscale channel width demonstrate extreme sensitivity to surface field profile, and therefore can be used as logic elements in computation and as ultrasensitive sensors of surface-charge in chemical and biological species.

研究の動機と目的

• ナノワイヤチャネル幅がシリコンナノワイヤFETの電気的特性に与える影響を調査すること。
• ナノワイヤ寸法およびゲートジオメトリの精密制御が可能なCMOS準拠のトップダウン型プロセスを開発すること。
• 3次元ナノワイヤチャネルにおける表面対体積比の増加に起因するデバイス特性の向上を実証すること。
• これらのデバイスが超感度バイオセンシングおよび論理応用に実現可能かどうかを評価すること。
• 幅依存のしきい値電圧シフトおよびトランスコンダクタンスの向上を説明する解析的モデルを確立すること。

提案手法

• SOIウェーハ（100 nmのデバイス層厚さを有する）を用い、電子線リソグラフィーを用いてシリコンナノワイヤFETをプロセスした。
• ナノワイヤの上面および両側面の全3面に、原子層堆積（ALD）を用いて20 nmのAl₂O₃ゲートゲルミス層を成長させた。
• バックゲートを浮遊またはグラウンド化することで、三端子型トップゲート構造を実装し、トランスファ特性の測定を可能にした。
• 逆方向のソース・ドレインバイアを印加してI-Vカーブを測定し、しきい値電圧およびトランスコンダクタンスの挙動を分析した。
• シュットキー障壁効果および有効表面対体積比に基づく解析的モデルを構築し、実験データを説明した。
• トランスコンダクタンス/単位幅 $ g_m = \mu C_{ox} \frac{W_{\text{eff}}}{L} V_{ds} $ を用いて性能を評価した。ここで $ W_{\text{eff}} = (w + 2H) \times n $ である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200 nm未満にナノワイヤ幅を短縮すると、シリコンナノワイヤFETにおけるしきい値電圧にどのような影響が生じるか？
• RQ2 3次元ナノワイヤFETにおいて、表面対体積比が単位幅あたりのトランスコンダクタンスに及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 小さな逆バイアス下で、非オーム的接触がセンシング性能に著しい影響を及ぼさないことを示せるか？
• RQ4 ゲートゲルミス厚さとナノワイヤ幅が、デバイスの感度および性能にどのように作用するか？
• RQ5 観察された幅依存の特性向上を、シュットキー障壁効果を組み込んだ一貫した解析的モデルで説明できるか？

主な発見

• しきい値電圧は、有効表面対体積比 $ A_{\text{sur}}/V_{\text{vol}} = \frac{w + 2H}{wH} $ に比例して線形に増加し、幅依存効果が明確に確認された。
• ナノワイヤ幅が400 nmから100 nmに減少するに従い、単位幅あたりのトランスコンダクタンスは6.31 nS/μmから61.4 nS/μmに増加し、10倍の向上が達成された。
• 小さな逆バイアス下で、非オーム的接触抵抗はナノワイヤ抵抗に比べて著しく小さく、センシング応用におけるデバイス性能への影響は最小限に抑えられた。
• 厚いゲートゲルミス（例：120 nmのAl₂O₃）は表面効果を抑制し、特に幅の広いワイヤーでは感度が低下するが、狭いワイヤーでは依然として良好な性能を示した。
• 狭い3次元ナノワイヤ形状と薄いゲートゲルミス層の組み合わせにより、優れたゲート制御および感度が実現され、バイオセンシングおよび論理応用に適した特性を有した。
• シュットキー障壁および表面対体積比に基づく解析的モデルは、実験データと良好に一致し、観察された向上の物理的起源を裏付けた。