Fonctionnement sélectif des modes d’amélioration et d’épuisement de transistors à effet de champ à l’échelle nanométrique

Les transistors à l’échelle nanométrique sont recherchés pour les circuits numériques efficaces, et la polarisation de chaque dispositif est essentielle. Ces conditions de polarisation strictes peuvent être assouplies en obtenant des valeurs précises des tensions de seuil du transistor. Cela conduit à des états logiques plus tolérants au bruit électrique.

Pour répondre aux exigences de consommation d’énergie réduite, les transistors à effet de champ (FET) CMOS sont fabriqués de telle sorte qu’ils fonctionnent en mode d’amélioration (E), c’est-à-dire qu’il n’y a pas de porteurs de charge libres dans le canal à une tension de grille nulle. D’un autre côté, les transistors en mode à déplétion (D) ont des courants plus élevés que le mode à enrichissement en raison de la densité importante de porteurs de charge.

Contrairement aux applications de commutation du FET, pour les applications haute fréquence, l’état désactivé du FET n’est pas une exigence obligatoire. En fait, la présence d’un canal à polarisation de grille nulle est avantageuse pour obtenir une transconductance élevée à des tensions plus faibles. Pour les FET Si, ​​les modes d’amélioration ou d’appauvrissement ont été déterminés lors de l’étape de fabrication du dopage par implantation ionique. Cependant, il est difficile de mettre en œuvre cette solution pour la nouvelle génération de matériaux minces comme les semi-conducteurs organiques et les matériaux 2D.

Selon de nouvelles recherches publié dans Matériaux électroniques appliqués ACSen choisissant une fonction de travail particulière pour un métal de grille, les tensions de seuil des FET de type p peuvent être modifiées de valeurs négatives à des valeurs positives, ce qui constitue une commutation sélective entre le mode de fonctionnement à enrichissement et le mode de fonctionnement à appauvrissement.

Les chercheurs ont fabriqué expérimentalement les FET avec diverses électrodes métalliques de grille ayant différentes fonctions. L’épaisseur de l’alumine diélectrique n’était que de 5 nm. En raison de cette courte séparation entre le métal de grille et le canal semi-conducteur organique de type P, il y avait une interaction électrostatique entre eux même sans application de tension externe. Lorsqu’un métal à faible travail comme l’aluminium (4,4 eV) est utilisé, le FET fonctionne en mode amélioration.

Pour les métaux de grille à haute fonction de travail comme l’or (5,0 eV), un certain nombre de trous sont induits dans le canal à une tension de grille nulle. Cela conduit à une bonne quantité de courant, ce que l’on appelle le fonctionnement en mode d’épuisement.

Pour confirmer cette observation expérimentale, les chercheurs ont effectué des simulations de dispositifs TCAD. Les simulations ont produit des tracés de contours de couleur de la densité des trous induits. Ce type de correspondance entre les résultats expérimentaux et de simulation est très important du point de vue technologique et de la production à grande échelle.

L’auteur principal, le Dr Abhay Sagade du SRMIST, Inde, a révélé que les effets observés sont profonds pour les fines épaisseurs diélectriques telles que celles inférieures à 10 nm. Pour les épaisseurs plus importantes, les FET restent en mode d’amélioration, même pour les métaux de grille à haute fonction de travail.

Ce concept peut être facilement étendu à tous les matériaux minces organiques, inorganiques et 2D de nouvelle génération. Grâce à cette méthode, il devrait être possible de fabriquer des dispositifs et circuits logiques et oscillateurs numériques de taille plus compacte, plus précis et reconfigurables. De plus, les OFET en mode D avec des courants améliorés peuvent être utilisés efficacement pour les applications haute fréquence.

Cela a également d’immenses implications pour les futurs dispositifs quantiques et applications technologiques qui utilisent des dispositifs sensibles aux petites dimensions.