Compact Modeling of Intrinsic Capacitances in Double-Gate Tunnel-FETs

Abstract

La miniaturització dels MOSFET en els circuits integrats ha elevat la tecnologia microelectrònica. Aquesta tendència també augmenta el grau de complexitat d'aquests circuits i els seus components bàsics. En els MOSFET convencionals, el corrent es basa en l'emissió termoiònica de portadors de càrrega, que per això limita el pendent subumbral en aquests transistors a 60 mV / dec. Per tant, per superar aquest límit i continuar amb la miniaturització per mantenir el ritme de la llei de Moore, es requereixen estructures alternatives. Entre aquestes, el transistor d'efecte de camp per túnel (TFET) es considera un possible successor de l'MOSFET. A causa del seu mecanisme alternatiu de transport de corrent, conegut com a túnel de banda a banda (B2B), el pendent subumbral en TFET pot fer-se inferior al límit de 60 mV / dec. Per comprendre i estimar el comportament dels TFET, no només com un element únic sinó també a nivell de circuit, es requereix un model compacte d'aquest dispositiu. En aquesta tesi es presenta un model basat en càrrega per descriure el comportament capacitiu d'un TFET de doble porta (DG TFET). No obstant això, la simplicitat i la flexibilitat de el model permeten usar-lo per a un altre tipus d'estructures TFET, com els TFET planars o de nanofils d'una sola porta (SG TFETs). El model és verificat amb les simulacions TCAD, així com amb mesures experimentals de TFET fabricats. El model de capacitància també inclou l'efecte dels elements paràsits. A més, en el context d'aquest treball també s'investiga la influència dels contactes de barrera Schottky en el comportament capacitiu dels TFET. Aquest model finalment es combina amb un model DC compacte existent per formar un model TFET compacte complet. A continuació, el model compacte s'implementa per a simulacions transitòries de circuits oscil·ladors d'anell basats en TFET.

La miniaturización de los MOSFET en los circuitos integrados ha elevado la tecnología microelectrónica. Esta tendencia también aumenta el grado de complejidad de estos circuitos y sus componentes básicos. En los MOSFET convencionales, la corriente se basa en la emisión termoiónica de portadores de carga, que por ello limita la pendiente subumbral en estos transistores a 60 mV/dec. Por tanto, para superar este límite y continuar con la miniaturización para mantener el ritmo de la ley de Moore, se requieren estructuras alternativas. Entre estas, el transistor de efecto de campo por túnel (TFET) se considera un posible sucesor del MOSFET. Debido a su mecanismo alternativo de transporte de corriente, conocido como túnel de banda a banda (B2B), la pendiente subumbral en TFET puede hacerse inferior al límite de 60 mV/dec. Para comprender y estimar el comportamiento de los TFET, no sólo como un elemento único sino también a nivel de circuito, se requiere un modelo compacto de este dispositivo. En esta tesis se presenta un modelo basado en carga para describir el comportamiento capacitivo de un TFET de doble puerta (DG TFET). Sin embargo, la simplicidad y la flexibilidad del modelo permiten usarlo para otro tipo de estructuras TFET, como los TFET planares o de nanohílos de una sola puerta (SG TFETs). El modelo es verificado con las simulaciones TCAD, así como con medidas experimentales de TFET fabricados. El modelo de capacitancia también incluye el efecto de los elementos parásitos. Además, en el contexto de este trabajo también se investiga la influencia de los contactos de barrera Schottky en el comportamiento capacitivo de los TFET. Este modelo finalmente se combina con un modelo DC compacto existente para formar un modelo TFET compacto completo. A continuación, el modelo compacto se implementa para simulaciones transitorias de circuitos osciladores de anillo basados en TFET.

Miniaturization of the MOSFETs on the integrated circuits has elevated the microelectronic technology. This trend also increases the degree of complexity of these circuits and their building blocks. In conventional MOSFETs the current is based on the thermionic—emission of charge carrier, which therefore limits the subthreshold swing in these transistors to 60 mV/dec. Hence, to overcome this limit and continue with down scaling to keep pace with the Moor’s law, alternative structures are required. Among these, the tunnel—field—effect transistor (TFET) is considered as a potential successor of the MOSFET. Due to its alternative current transport mechanism, known as band—to—band (B2B) tunneling, the subthreshold swing in TFETs can overcome the 60 mV/dec limit. In order to comprehend and estimate the behavior of TFETs, not only as a single element but also on the circuit level, a compact model of this device is required. In this dissertation a charge –based model to describes the capacitive behavior of a double—gate (DG) TFET is presented. However, simplicity and flexibility of the model allow to use it for other type of TFET structures such as single—gate (SG) planar or nanowire TFETs. The model is verified with the TCAD simulations as well as the measurement data of fabricated TFETs. The capacitance model also includes the effect of the parasitic elements. Furthermore, in the context of this work also the influence of Schottky barrier contacts on the capacitive behavior of TFETs is investigated. This model is finally combined with an existing compact DC model to form a complete compact TFET model. The compact model is then implemented for transient simulations of TFET—based inverter and ring—oscillator circuits.