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Jun 06, 2023

La compréhension de l'impact d'une longueur de sous-couche efficacement optimisée sur les paramètres de performances analogiques/RF du GNR

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 13872 (2023) Citer cet article 101 Accès aux détails des métriques Le but de cette étude est d'examiner les caractéristiques de performance analogiques/RF du graphène

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13872 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

Le but de cette étude est d'examiner les caractéristiques de performance analogiques/RF des transistors à effet de champ (FET) à nanoruban de graphène (GNR) à l'aide d'une nouvelle technique appelée ingénierie sous-jacente. L'étude utilise des simulations atomistiques auto-cohérentes et le formalisme de la fonction de Green hors équilibre (NEGF). Initialement, la longueur de sous-couche optimale pour le GNR-FET par appareil a été déterminée en évaluant le rapport courant ON (ION) sur courant OFF (IOFF), qui est un paramètre critique pour les applications numériques. Par la suite, l'impact de l'ingénierie sous-jacente sur les mesures de performances analogiques/RF a été analysé et mené une analyse complète des compromis en tenant compte de paramètres tels que le gain intrinsèque, l'efficacité du transistor et la fréquence de coupure du dispositif. Les résultats démontrent que le dispositif intégrant le mécanisme de recouvrement présente des performances supérieures en termes de rapport ION/IOFF, de facteur de génération de transconductance (TGF), de résistance de sortie (r0), de gain intrinsèque (gmr0), de produit de fréquence de gain (GFP) et de gain. produit de fréquence de transfert (GTFP). Cependant, le dispositif sans effet de sous-couche présente la transconductance (gm) et la fréquence de coupure (fT) les plus élevées. Enfin, une analyse de linéarité a été réalisée pour comparer le dispositif GNR-FET optimisé avec le dispositif GNR-FET conventionnel sans effet de sous-couche.

Au cours des dernières décennies, on a assisté à une diminution notable de la taille des transistors, passant du micromètre au nanomètre, sous l'effet de la célèbre loi de Moore1,2. Cependant, à mesure que la demande de dispositifs électroniques avancés continue d’augmenter, les limites de taille des transistors à base de silicium sont devenues de plus en plus difficiles, et il y aura éventuellement des limites physiques à une miniaturisation plus poussée. Le principal obstacle à cet égard est l'apparition d'effets de canal court (SCE), tels que le courant de fuite, l'oscillation inférieure au seuil (SS), l'abaissement de la barrière induit par le drain (DIBL) et la saturation de la vitesse, qui sont des conséquences de la diminution de la distance entre la source et le drain3,4,5. Ces derniers temps, les chercheurs ont activement mené des recherches approfondies pour explorer de nouveaux matériaux susceptibles de surmonter ces limitations. Par la suite, le graphène est devenu un matériau très important qui a suscité une attention considérable dans le domaine des appareils électroniques. Cela est principalement dû à sa disponibilité abondante et à ses caractéristiques rentables, ce qui en fait une option exceptionnellement attractive pour diverses applications électroniques6.

Le graphène, constitué d'une seule couche d'atomes de carbone, s'est positionné comme un matériau exceptionnellement prometteur pour les futurs dispositifs semi-conducteurs, notamment dans les applications haute fréquence. Ceci est principalement attribué à ses propriétés remarquables, notamment une conductivité thermique exceptionnelle, une vitesse de saturation élevée, une flexibilité, une résistance mécanique impressionnante et une mobilité supérieure des porteurs7,8,9,10,11. De plus, les caractéristiques de mobilité exceptionnelles du graphène en font un excellent candidat pour les applications de dispositifs flexibles et à radiofréquence (RF)12,13. En plus de ses caractéristiques avantageuses, sur des canaux relativement courts, le manque de bandes interdites dans le graphène entraîne un mauvais rapport ON/OFF de courant (ION/IOFF). Ainsi, le nanoruban de graphène (GNR) doit être conçu pour utiliser le graphène comme dispositif, et le dispositif basé sur le graphène est connu sous le nom de transistor à effet de champ (FET) à nanoruban de graphène (GNR)14,15.

Diverses approches ont été explorées pour améliorer les performances électriques des FET basés sur GNR. Ces méthodes comprennent l'utilisation de différents matériaux diélectriques d'oxyde de grille, le dopage des canaux, la mise à l'échelle dimensionnelle, la sélection de matériaux de grille dotés de fonctions de travail spécifiques et l'introduction de défauts de lacune sur le canal16,17,18,19,20,21,22,23,24,25. . Cependant, il reste encore beaucoup à faire, notamment dans le domaine de l’ingénierie de la longueur des canaux. Des études antérieures ont démontré que la mise en œuvre d'une structure de grille à recouvrement inférieur peut améliorer le courant de fuite, l'oscillation inférieure au seuil (SS) et le rapport ON/OFF du courant26. L'introduction d'architectures sous-couches contribue à réduire les effets de canal court (SCE) en ajustant la longueur de canal effective du dispositif27. Il atténue également la capacité marginale28 et les fuites de drain induites par la grille (GIDL)29, ce qui entraîne une réduction de la puissance de commutation et une meilleure adéquation aux applications logiques. Cependant, le chevauchement entre la grille et la source ou le drain entraîne une augmentation de la résistance du canal, ce qui diminue le courant passant et affecte négativement les performances du dispositif. Pour résoudre ce problème, une structure de sous-couche asymétrique, dans laquelle la sous-couche est appliquée du côté du drain, est préférable30. Malgré ces progrès, les méthodes existantes pour améliorer les performances analogiques/RF des FET restent inadéquates. En conséquence, des études récentes se sont concentrées sur l’amélioration des performances analogiques/RF des GNR-FET. Cela motive des recherches plus approfondies sur les caractéristiques de performances analogiques et RF des GNR-FET avec des structures sous-jacentes. Il existe notamment un manque de recherches antérieures examinant le comportement des performances analogiques/RF des GNR-FET utilisant le mécanisme de recouvrement asymétrique.