Estudo de transistores de nanofolha de silício com porta ao redor em baixas temperaturas. - Leal, João Vitor da Costa (2022)
O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento dos transistores de nanofolha de silício (NS, da sigla em inglês para Nanosheet) em função da temperatura tanto experimentalmente como por simulação numérica, focando em baixas temperaturas. O comportamento dos transistores de nanofolha com porta toda ao redor (GAA, da sigla em inglês para Gate-All-Around), NMOS e PMOS, foi estudado na faixa de temperatura de 398 K até 173 K, analisando parâmetros digitais e analógicos da tecnologia e avaliando o efeito quântico em alguns casos, tal como na tensão de limiar (VTH) e na inclinação de sublimiar (SS). Medidas experimentais foram realizadas em diversas temperaturas (398 K, 300 K, 233 K e 173 K) para a extração dos parâmetros elétricos e calibração das simulações numéricas. Os comprimentos de canal (L) dos transistores utilizados são de 28 nm, 70 nm, 100 nm e 200 nm, todos para uma espessura do canal (tSi) de silício de 11 nm. Foram simulados, contudo, os dispositivos NMOS de comprimentos 28 nm, 70 nm e 200 nm, para as espessuras de 5, 8 e 11 nm, realizando simulações com e sem o modelo quântico. A tensão de limiar foi constante em função do comprimento de canal no NMOS, mas apresenta dependência desse parâmetro no PMOS, indicando que uma otimização da função trabalho do metal de porta ainda é necessária. Este parâmetro apresentou um comportamento linear em função da temperatura. O confinamento quântico foi observado em todos os dispositivos analisados, mas sua relevância no aumento da tensão de limiar variou conforme a espessura do canal. Nos dispositivos com espessura de canal de 8 e 11 nm, o valor da tensão de limiar ficou em torno de 0,20 V com ou sem o modelo quântico, indicando um efeito desprezível neste parâmetro. Para espessura de canal de 5 nm, a tensão de limiar subiu de 0,21 V para 0,23 V devido ao modelo quântico, sugerindo uma maior importância desse efeito. Esse incremento na tensão de limiar não varia significativamente com a temperatura, mas sua contribuição para o parâmetro se torna proporcionalmente menos relevante conforme a temperatura diminui devido ao aumento da tensão de limiar nessas condições. A redução de barreira induzida pelo dreno (DIBL) diminui para baixas temperaturas e aumenta significativamente para comprimento de canal 28 nm devido ao efeito de canal curto. A inclinação de sublimiar (SS) também diminui em baixas temperaturas, mas se afasta do limite teórico (kT/q)·ln(10) devido à presença de armadilhas de interface. Este parâmetro, todavia, não foi afetado significativamente pelo efeito quântico. Tanto a transcondutância gm quanto a condutância de saída gD aumentam em baixas temperaturas, comportamento relacionado ao incremento da mobilidade devido à redução da degradação por espalhamento de rede. O ganho intrínseco de tensão AV, dado pela razão gm/gD, tem um comportamento praticamente constante em função da temperatura na faixa analisada.