Numerical Simulation of Field-effect Transistor with a Channel in the Form of a Nanowire

Abstract

Робота базового функціонального елемента інтегральної схеми – польового транзистора заснована на дрейфі електронів та дірок у каналі. Із застосуванням розтягування-здавлювання кристалічної решітки кремнію Si, шляхом впровадження домішкових атомів, дещо зростає рухливість носіїв. Разом з цим значний інтерес до нанодротів на основі твердого розчину Si(Ge) як елементів для формування високоефективних каналів польових транзисторів обумовлює необхідність досліджень їх структурних, електричних та температурних характеристик. У роботі наведені результати числового моделювання коаксіальних Si-канальних транзисторних FET’s структур із затвором Gate-all-around (GAA). Структура транзистора n-типу GAA NW FET та його вольт-амперні характеристики були побудовані з використанням інструментів Silvaco TCAD. У рамках дифузійно-дрейфової моделі транспорту носіїв із врахуванням квантового потенціалу Бома отримані ефективні робочі параметри: допустимі значення порогової напруги, сили струму витоку та коефіцієнта Ion/Ioff. та їх залежності від температури. Отримано, що величини порогової напруги Vt та допорогового розкиду SS залишаються майже без змін із зростанням температури в інтервалі від 280 до 400 К, що насамперед пов’язано з додатковим впливом квантових ефектів для заданих товщини каналу та концентрацій домішок. Поряд з цим фіксується типове спадання сили струму ввімкнення на 45.5 % та струму витоку на 46.4 % в заданому інтервалі температур. Для оцінки термічної стабільності досліджуваних транзисторних систем розраховані температурні коефіцієнти βVt, βSS, βIon and βIoff. Їх величини становили відповідно 8.63.10– 5; – 0.53.10– 5; – 3.87.10– 3 and – 3.80.10– 3 K– 1. Результати чисельного моделювання показали добре узгодження з експериментальними даними.

The operation of the basic functional element of the integrated circuit – the field-effect transistor – is based on the drift of electrons and holes in the Si channel. With the use of stretching-compression of the crystal lattice of the Si substrate, by introducing impurity atoms, the mobility of carriers is somewhat reduced. At the same time, considerable interest to nanowires (NWs) based on Si (Ge) solid solution as elements for the formation of highly efficient channels of field-effect transistors necessitates studies of their structural, electrical and temperature characteristics. The paper presents the results of numerical simulation of coaxial Si-channel gate-all-around (GAA) FET structures. The structure of the n-type GAA NWFET and its volt-ampere characteristics were constructed using Silvaco TCAD tools. Within the framework of the diffusion-drift model of carrier transport, taking into account the Bohm quantum potential, effective operating parameters were obtained: permissible values of the threshold voltage, leakage current and Ion/Ioff coefficient, and their dependences on temperature. It was obtained that the values of the threshold voltage Vt and subthreshold scattering SS remain almost unchanged with increasing temperature in the range from 280 to 400 K, which is primarily due to the additional influence of quantum effects for a given channel thickness and impurity concentrations. In addition, a typical decrease in the switch-on current by 45.5 % and leakage current by 46.4 % in a given temperature range was recorded. To assess the thermal stability of the studied transistor systems, the temperature coefficients βVt, βSS, βIon and βIoff were calculated. Their values were respectively 8.63·10 – 5; – 0.53·10 – 5; – 3.87·10 – 3 and – 3.80·10-3 K – 1. The results of numerical simulations showed good agreement with the experimental data.