Modeling and simulation of semiconductor nanowires for future technology nodes

Resumen

El principal objetivo de esta Tesis Doctoral es el estudio analítico y numérico de dispositivos multipuerta, MuG del inglés Multiple Gate, y compuestos semiconductores III-V, como alternativas tecnológicas para continuar el proceso de escalado del transistor MOSFET más allá del nodo tecnológico de 22nm [delAlamo2011]. Con este objetivo, se han implementado simuladores electrostáticos y de transporte capaces de resolver las ecuaciones de Schrödinger, Poisson y Boltzmann en un gas de electrones unidimensional. El simulador electrostático está basado en la aproximación de masa efectiva no parábolica [Jin2007], siendo capaz de tratar con geometrías, materiales y orientaciones arbitrarias para obtener las distribuciones de carga y potencial en la sección transversal bidimensional de la estructura MuG [Marin2012]. El simulador de transporte linealiza la ecuación de transporte unidimensional de Boltzmann, usando la aproximación de tiempo de relajación del momento, MRT del inglés Momentum Relaxation Time, [Esseni2011] resolviendo el sistema resultante de manera implícta. Además incluye modelos novedosos de dispersión debida a rugosidad superficial [Stanojevic2013,Jin2013], cargas coulombianas [Ning1972,Gamiz1994,Gamiz2002], fonones bulk [Kotlyar2004,Jin2007, Ashcroft1976,Tienda2012], fonones ópticos polares [OReagan2010,Wang1993,Leburton1992] y desorden por aleación [Bastard1988,Pham2007]. Adicionalmente, se ha desarrollado un modelo completamente analítico que describe el comportamiento electrostático de nanohilos [Marin2012b], NW del inglés nanowire. Es, hasta donde alcanza nuestro conocimiento, la descripción analítica más completa de la distribución de la carga y el potencial en NWs cilíndricos fabricados con materiales III-V presentada en la literatura hasta la fecha. El modelo proporciona expresiones analíticas para calcular la energía de las subbandas y las funciones de onda del valle Gamma, teniendo en cuenta la penetración de la función de onda en el aislante y la discontinuidad en la masa efectiva en la interfaz entre el aislante y el semiconductor, así como estadística de Fermi-Dirac, confinamiento bidimensional de los portadores y la no parabolicidad de la banda de conducción. También permite incluir un perfil arbitrario de estados en la interfaz. Haciendo uso de las aproximaciones numérica y analítica, se realizan varios estudios relevantes de carácter electrostático y del transporte en Trigates y NWs. Estas dos estructuras son especialmente siginificativas puesto que constituyen las arquitecturas MuG más consolidadas. Los Trigate introducen pocos cambios respecto al proceso de fabricación planar tradicional, al mismo tiempo que incrementan el control electrosático del canal [Radosavljevic2010,Colinge2004]. Los NWs son la evolución última de las arquitecturas MuG, proporcionando la mayor supresión de los efectos de canal corto [delAlamo2011]. De esta manera, usando el enfoque analítico se estudia la influencia del tamaño del dispositivo y el tipo de material en la carga en inversión, la corriente de drenador, la capacidad de puerta y la tensión umbral en nanohilos III-V [Marin2013,Marin2014]. Para completar el estudio analítico, los simuladores numéricos desarrollados se han utilizado para comprender el papel del valle L en las propiedades electrostáticas y de transporte, concluyendo que tiene un influencia no despreciable a medida que el tamaño del dispositivo se reduce. El enfoque numérico se usa también para comparar el comportamiento de estructuras Trigate de Si y materiales III-V. El impacto de la anchura del Trigate y de la puerta trasera es analizada, mostrando que: a) el incremento de la movilidad observado para Trigates III-V se degrada cuando la anchura se reduce y b) el control de la puerta trasera sobre la tensión umbral afecta directamente a la movilidad [Ruiz2013,Ruiz2013]. Finalmente, la rugosidad superficial se revela como el principal mecanismo de dispersión limitador de la movilidad para la gran mayoría de tamaños y materiales a alto campo, siendo su comportamiento a bajo campo más complicado y muy dependiente del tamaño y material empleados. Referencias [Ashcroft1976] N.W. Ashcroft and N.D. Mermin. Solid state physics. Saunders College, 1976. [Bastard1988] G. Bastard. Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures. Monographies de physique. Les Editions de Physique, 1988. [Colinge2004] J. P. Colinge. Multiple-gate SOI MOSFETs. Solid-State Electronics, 48:897,Jun 2004. [delAlamo2011] J.A. del Alamo. 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