Investigation of Localized Charges on Linearity and Distortion Performance of Ferroelectric Dual Material Gate All Around TFETs

Abstract

Масштабування польових транзисторів (MOSFETs) менше 20 нм призводить до деяких ускладнень, таким як високий струм вимкненого стану через зменшення товщини оксиду затвору, індукованому стоком зниженню бар'єру та іншім ефектам короткого каналу. З цієї точки зору, тунельний польовий транзистор (TFET) є найкращим претендентом, щоб затьмарити MOSFETs у нанорозмірному режимі. Властивість негативної ємності сегнетоелектричного матеріалу поєднується з міжзонним тунельним механізмом TFET з метою посилення струму увімкненого стану пристрою. Як сегнетоелектричний шар (затворний діелектрик) використовують оксид гафнію, легований кремнієм (Si:HfO2). Більш низька діелектрична проникність і сумісність з технологічним процесом робить його підходящим сегнетоелектричним матеріалом на відміну від перовскітних матеріалів. У цій роботі досліджується вплив локалізованих зарядів на електричні показники, лінійність і параметри спотворення тунельного транзистору з круговим затвором з сегнетоелектричних подвійних матеріалів (FE-DMGAATFET). Наявність оксидних зарядів змінює точку зміщення пристрою; отже, його вплив потрібно досліджувати з точки зору показників якості лінійності та спотворення. Локалізований заряд оксиду може бути як позитивним, так і негативним залежно від енергетичного рівня пастки щодо рівня Фермі. Виявлено, що струм вимкненого стану значно збільшується для донорно-локалізованого заряду від 10–19 до 10–12 A. Нелінійність і спотворення пристрою зменшуються у присутності негативного локалізованого заряду. За допомогою чисельних розрахунків було проаналізовано, що внаслідок донорськолокалізованих зарядів підпороговий режим значно погіршується, підкреслюючи вимогу інтенсивного аналізу в цьому інтервалі для майбутньої ринкової ніші електроніки. Однак вплив акцепторнолокалізованих зарядів на продуктивність пристрою є незначним.

Scaling down the MOSFETs below 20 nm implies several complications such as high OFF-state current due to thinning of gate oxide, drain induced barrier lowering, and other short channel effects (SCEs). In this aspect, tunnel-field-effect transistor (TFET) has emanated as the suitable contender to outshine the MOSFETs in nanoscale regime. Negative capacitance property of ferroelectric material is combined with the band-to-band tunneling mechanism of tunnel FET in order to enhance ON-state current of the device. Silicon doped hafnium oxide (Si:HfO2) is used as a ferroelectric layer (gate insulator). Lower permittivity and compatibility with the fabrication process flow of Si:HfO2, makes it a suitable ferroelectric material in contrary with perovskite materials. This work examines the impact of localized charges on electrical performance, linearity, and distortion parameters of ferroelectric-dual material-gate all around-tunnel field effect transistor (FE-DMGAA-TFET). The presence of oxide charges modifies the bias point of the device; therefore, its effect needs to be investigated in terms of figures of merit (FOM) of linearity and distortion. Localized oxide charge may be positive or negative depending on the trap energy level with respect to Fermi level. It is observed that OFF-state current deteriorates considerably for donor-localized charge from an order of 10–19 to 10–12 A. The non-linearity and distortion of the device decrease in the presence of negative localized charge. It has been analyzed through numerical calculations that due to donor-localized charges the subthreshold regime deteriorates significantly highlighting the requirement of an intensive analysis in this region for future niche market of electronics. However, the effect of acceptor-localized charges is marginal on the performance of the device, thus offering great potential to maintain its reliability.