Dispositifs innovants à pente sous le seuil abrupte : du TEFT au Z²-FET

par Jing Wan

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Sorin Cristoloveanu.

Soutenue le 23-07-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Institut de la Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique (équipe de recherche) .

Le président du jury était Amara Amara.

Le jury était composé de Sorin Cristoloveanu, Alexander Zaslavsky, Cyrille Le royer, Jean-luc Autran.

Les rapporteurs étaient Philippe Galy.


  • Résumé

    Tunnel à effet de champ (TFET) et un nouveau composant MOS à rétroaction que nous avons nommé le Z2-FET.Le Z2-FET est envisagé pour la logique faible consommation et pour les applications mémoire compatibles avecles technologies CMOS avancées. Nous avons étudié de manière systématique des TFETs avec différents oxydesde grille, matériaux et structures de canal, fabriqués sur silicium sur isolant totalement déserté (FDSOI). Lesmesures de bruit à basse fréquence (LFN) sur TFETs montrent la prédominance d'un signal aléatoiretélégraphique (RTS), qui révèle sans ambiguïté le mécanisme d’effet tunnel. Un modèle analytique combinantl’effet tunnel et le transport dans le canal a été développé, montrant un bon accord entre les résultatsexpérimentaux et les simulations.Nous avons conçu et démontré un nouveau dispositif (Z2-FET, pour pente sous le seuil verticale et zéroionisation par impact), qui présente une commutation extrêmement abrupte (moins de 1 mV par décade decourant), avec un rapport ION / IOFF >109, un large effet de hystérésis et un potentiel de miniaturisation jusqu'à 20nm. La simulation TCAD a été utilisée pour confirmer que la commutation électrique du Z2-FET fonctionne parl'intermédiaire de rétroaction entre les flux des électrons et trous et leurs barrières d'injection respectives. LeZ2-FET est idéalement adapté pour des applications mémoire à un transistor. La mémoire DRAM basée sur leZ2-FET montre des performances très bonnes, avec des tensions d'alimentation jusqu'à 1,1 V, des temps derétention jusqu'à 5,5 s et des vitesses d'accès atteignant 1 ns. Une mémoire SRAM utilisant un seul Z²-FET estégalement démontrée sans nécessité de rafraichissement de l’information stockée.Notre travail sur le courant GIDL intervenant dans les MOSFETs de type FDSOI a été combiné avec leTFET afin de proposer une nouvelle structure de TFETs optimisés, basée sur l'amplification bipolaire du couranttunnel. Les simulations de nouveau dispostif à injection tunnel amélioré par effet bipolaire (BET-FET) montrentdes résultats prometteurs, avec des ION supérierus à 4mA/��m et des pentes sous le seuil SS inférieures à 60mV/dec sur plus de sept décades de courant, surpassant tous les TFETs silicium rapportés à ce jour.La thèse se conclut par les directions de recherche futures dans le domaine des dispositifs à pente sous leseuil abrupte.

  • Titre traduit

    (Innovative sharp switching devices : from TFET to Z2-FET


  • Résumé

    This thesis is dedicated to studying sharp switching devices, including the tunneling field-effect-transistor(TFET) and a new feedback device we have named the Z2-FET, for low power logic and memory applicationscompatible with modern silicon technology. We have extensively investigated TFETs with various gate oxides,channel materials and structures, fabricated on fully-depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) substrates.Low-frequency noise (LFN) measurements were performed on TFETs, showing the dominance of randomtelegraphy signal (RTS) noise, which reveals the tunneling mechanism. An analytical TFET model combiningtunneling and channel transport has been developed, showing agreement with the experimental and simulationresults.We also conceived and demonstrated a new device named the Z2-FET (for zero subthreshold swing andzero impact ionization), which exhibits extremely sharp switching with subthreshold swing SS < 1 mV/dec,ION/IOFF current ratio reaching 109, gate-controlled hysteresis and scalability down to 20 nm. The Z2-FEToperates with feedback between carriers flow and their injection barriers. The Z2-FET is used for one-transistordynamic random access memory (DRAM) with supply voltage down to 1.1 V, retention time up to 5.5 s andaccess speed reaching 1 ns. The static RAM (SRAM) application is also demonstrated without the need ofrefreshing stored data.Following our work on gate-induced drain leakage (GIDL) current in short-channel FD-SOI MOSFETs andon TFET operating mechanisms, we propose a new class of optimized TFETs with enhanced ION, based on thebipolar amplification of the tunneling current. Simulations of the bipolar-enhanced tunneling FET (BET-FET),combining the TFET with a heterojunction bipolar transistor, show promising results, with ION > 4×10-3 A/��mand SS < 60 mV/dec over 7 decades of current, outperforming all silicon-compatible TFETs reported to date.The thesis concludes with future research directions in the sharp-switching device arena.


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