La comprensione dell'impatto della lunghezza della sottofalda ottimizzata in modo efficiente sui parametri di prestazione analogici/RF di GNR

Dec 16, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13872 (2023) Citare questo articolo

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Lo scopo di questo studio è esaminare le caratteristiche prestazionali analogiche/RF dei transistor a effetto di campo (FET) con nanoribbon di grafene (GNR) utilizzando una nuova tecnica chiamata underlap engineering. Lo studio utilizza simulazioni atomistiche autoconsistenti e il formalismo della funzione di Green di non equilibrio (NEGF). Inizialmente, la lunghezza ottimale della sottolappatura per il GNR-FET per dispositivo è stata determinata valutando il rapporto tra corrente ON (ION) e corrente OFF (IOFF), che è un parametro critico per le applicazioni digitali. Successivamente, è stato analizzato l'impatto dell'ingegneria underlap sui parametri prestazionali analogici/RF ed è stata condotta un'analisi completa dei compromessi considerando parametri quali guadagno intrinseco, efficienza dei transistor e frequenza di taglio del dispositivo. I risultati dimostrano che il dispositivo che incorpora il meccanismo underlap mostra prestazioni superiori in termini di rapporto ION/IOFF, fattore di generazione di transconduttanza (TGF), resistenza di uscita (r0), guadagno intrinseco (gmr0), prodotto frequenza guadagno (GFP) e guadagno prodotto della frequenza di trasferimento (GTFP). Tuttavia, il dispositivo senza l'effetto underlap dimostra la transconduttanza (gm) e la frequenza di taglio (fT) più elevate. Infine, è stata condotta un'analisi di linearità per confrontare il dispositivo GNR-FET ottimizzato con il dispositivo GNR-FET convenzionale senza l'effetto underlap.

Negli ultimi decenni si è assistito ad una notevole diminuzione delle dimensioni dei transistor, passando dai micrometri ai nanometri, spinta dalla nota Legge di Moore1,2. Tuttavia, poiché la domanda di dispositivi elettronici avanzati continua a crescere, i limiti dimensionali dei transistor a base di silicio sono diventati sempre più impegnativi e alla fine ci saranno limiti fisici a un’ulteriore miniaturizzazione. L'ostacolo principale a questo riguardo è il verificarsi di effetti di canale corto (SCE), come corrente di dispersione, oscillazione sottosoglia (SS), abbassamento della barriera indotta dal drenaggio (DIBL) e saturazione di velocità, che sono conseguenze della diminuzione della distanza tra la fonte e il drenaggio3,4,5. Negli ultimi tempi, i ricercatori hanno portato avanti attivamente ricerche approfondite per esplorare nuovi materiali che potrebbero superare queste limitazioni. Successivamente, il grafene è emerso come un materiale altamente significativo che ha catturato una notevole attenzione nel campo dei dispositivi elettronici. Ciò è dovuto principalmente alla sua abbondante disponibilità e alle sue caratteristiche convenienti, che lo rendono un’opzione eccezionalmente interessante per varie applicazioni elettroniche6.

Il grafene, costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, si è posizionato come un materiale eccezionalmente promettente per i futuri dispositivi a semiconduttore, soprattutto nelle applicazioni ad alta frequenza. Ciò è principalmente attribuito alle sue straordinarie proprietà, tra cui eccezionale conduttività termica, elevata velocità di saturazione, flessibilità, straordinaria resistenza meccanica e mobilità superiore dei trasportatori7,8,9,10,11. Inoltre, le eccezionali caratteristiche di mobilità del grafene lo rendono un eccellente candidato per applicazioni con dispositivi flessibili e a radiofrequenza (RF)12,13. Oltre alle sue caratteristiche vantaggiose, su canali relativamente corti, la mancanza di band gap nel grafene determina uno scarso rapporto ON/OFF di corrente (ION/IOFF). Pertanto, il nanoribbon di grafene (GNR) deve essere realizzato per utilizzare il grafene come dispositivo e il dispositivo basato sul grafene è noto come transistor a effetto di campo (FET) con nanoribbon di grafene (GNR)14,15.

Sono stati esplorati vari approcci per migliorare le prestazioni elettriche dei FET basati su GNR. Questi metodi includono l'utilizzo di diversi materiali dielettrici di ossido di gate, drogaggio del canale, ridimensionamento dimensionale, selezione di materiali di gate con funzioni di lavoro specifiche e introduzione di difetti di posti vacanti sul canale16,17,18,19,20,21,22,23,24,25 . Tuttavia, c’è ancora molto spazio di ricerca, in particolare nel campo dell’ingegneria delle lunghezze dei canali. Studi precedenti hanno dimostrato che l'implementazione di una struttura gate-underlap può migliorare la corrente di dispersione, l'oscillazione sottosoglia (SS) e il rapporto ON/OFF della corrente26. L'introduzione di architetture underlap aiuta a ridurre gli effetti di canale corto (SCE) regolando la lunghezza effettiva del canale del dispositivo27. Riduce inoltre la capacità marginale28 e la dispersione di drenaggio indotta dal gate (GIDL)29, con conseguente riduzione della potenza di commutazione e migliore idoneità per le applicazioni logiche. Tuttavia, la sovrapposizione tra il gate e la sorgente o il drain porta ad un aumento della resistenza del canale, che diminuisce la corrente ON e influisce negativamente sulle prestazioni del dispositivo. Per risolvere questo problema, è preferibile una struttura sottofalda asimmetrica, in cui il sottofalda è applicato sul lato scarico30. Nonostante questi progressi, i metodi esistenti per migliorare le prestazioni analogiche/RF dei FET rimangono inadeguati. Di conseguenza, studi recenti si sono concentrati sul miglioramento delle prestazioni analogiche/RF dei GNR-FET. Ciò motiva ulteriori indagini sulle caratteristiche prestazionali analogiche e RF dei GNR-FET con strutture sottostrato. In particolare, mancano ricerche precedenti che esaminino il comportamento delle prestazioni analogiche/RF dei GNR-FET che utilizzano il meccanismo di sottosquadro asimmetrico.