ANALYTICAL COMPACT MODELING OF NANOSCALE MULTIPLE-GATE MOSFETS.

L’objectiu principal d’aquest treball és el desenvolupament d’un model compacte per a MOSFETs de múltiple porta d’escala nanomètrica, que sigui analític, basat en la física del dispositiu, i predictiu per a simulacions AC i DC. Els dispositius investigats són el MOSFET estàndar en mode d’inversió, a més d’un nou dispositiu anomenat “junctionless MOSFET” (MOSFET sense unions). El model es va desenvolupar en una formulació compacta amb l’ajuda de l’equació de Poisson i la tècnica de la transformación conforme de Schwarz-Cristoffel. Es varen obtenir les equacions del voltatge llindar i el pendent subllindar. Usant la funció W de Lambert, a més d’una funció de suavització per a la transcició entre les regions de depleció i acumulació, s’obté un model unificat de la densitat de càrrega, vàlid per a tots els modes d’operació del transistor. S’estudien també les dependències entre els paràmetres físics del dispositiu i el seu impacte en el seu rendiment. Es tenen en compteefectes importants de canal curt i de quantització. Es discuteixen també la simetria al voltant de Vds= 0 V, i la continuïtat del corrent de drenador en les derivades d’ordre superior. El model va ser validat mitjançant simulacions TCAD numèriques i mesures experimentals.El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de un modelo compacto para MOSFETs de múltiple puerta de escala nanométrica, que sea analítico, basado en la física del dispositivo, y predictivo para simulaciones AC y DC. Los dispositivos investigados son el MOSFET estándar en modo inversión, además de un nuevo dispositivo llamado “junctionless MOSFET” (MOSFET sin uniones). El modelo se desarrolló en una formulación compacta con la ayuda de la ecuación de Poisson y la técnica de transformación conforme de Schwarz-Cristoffel. Se obtuvieron las ecuaciones del voltaje umbral y la pendiente subumbral. Usando la función W de Lambert, además de una función de suavización para la transición entre las regiones de depleción y acumulación, se obtiene un modelo unificado de la densidad de carga, válido para todos los modos de operación del transistor. Se estudian también las dependencias entre los parámetros físicos del dispositivo y su impacto en su rendimiento. Se tienen en cuenta efectos importantes de canal corto y de cuantización. Se discuten también la simetría alrededor de Vds= 0 V, y la continuidad de la corriente de drenador en las derivadas de orden superior. El modelo fue validado mediante simulaciones TCAD numéricas y medidas experimentales.The main focus is on the development of an analytical, physics-based and predictive DC and AC compact model for nanoscale multiple-gate MOSFETs. The investigated devices are the standard inversion mode MOSFET and a new device concept called junctionless MOSFET. The model is derived in closed-from with the help of Poisson's equation and the conformal mapping technique by Schwarz-Christoffel. Equations for the calculation of the threshold voltage and subthreshold slope are derived. Using Lambert's W-function and a smoothing function for the transition between the depletion and accumulation region, an unified charge density model valid for all operating regimes is developed. Dependencies between the physical device parameters and their impact on the device performance are worked out. Important short-channel and quantization effects are taken into account. Symmetry around Vds = 0 V and continuity of the drain current at derivatives of higher order are discussed. The model is validated versus numerical TCAD simulations and measurement data

Grid infrastructures for the electronics domain: requirements and early prototypes from an EPSRC pilot project

The fundamental challenges facing future electronics design is to address the decreasing – atomistic - scale of transistor devices and to understand and predict the impact and statistical variability these have on design of circuits and systems. The EPSRC pilot project “Meeting the Design Challenges of nanoCMOS Electronics” (nanoCMOS) which began in October 2006 has been funded to explore this space. This paper outlines the key requirements that need to be addressed for Grid technology to support the various research strands in this domain, and shows early prototypes demonstrating how these requirements are being addressed

Analytical model of nanowire FETs in a partially ballistic or dissipative transport regime

The intermediate transport regime in nanoscale transistors between the fully ballistic case and the quasi equilibrium case described by the drift-diffusion model is still an open modeling issue. Analytical approaches to the problem have been proposed, based on the introduction of a backscattering coefficient, or numerical approaches consisting in the MonteCarlo solution of the Boltzmann transport equation or in the introduction of dissipation in quantum transport descriptions. In this paper we propose a very simple analytical model to seamlessly cover the whole range of transport regimes in generic quasi-one dimensional field-effect transistors, and apply it to silicon nanowire transistors. The model is based on describing a generic transistor as a chain of ballistic nanowire transistors in series, or as the series of a ballistic transistor and a drift-diffusion transistor operating in the triode region. As an additional result, we find a relation between the mobility and the mean free path, that has deep consequences on the understanding of transport in nanoscale devices

Compact modeling of the rf and noise behavior of multiple-gate mosfets

La reducción de la tecnología MOSFET planar ha sido la opción tecnológica dominante en las últimas décadas. Sin embargo, hemos llegado a un punto en el que los materiales y problemas en los dispositivos surgen, abriendo la puerta para estructuras alternativas de los dispositivos. Entre estas estructuras se encuentran los dispositivos DG, SGT y Triple-Gate. Estas tres estructuras están estudiadas en esta tesis, en el contexto de rducir las dimensiones de los dispositivos a tamaños tales que los mecanismos cuánticos y efectos de calan coro deben tenerse n cuenta. Estos efectos vienen con una seria de desafíos desde el pun to de vista de modelación, unos de los más grandes siendo el tiempo y los recursos comprometidos para ejecutar las simulaciones. para resolver este problema, esta tesis propone modelos comlets analíticos y compactos para cada una de las geometrías, validos desde DC hasta el modo de operación en Rf para los nodos tecnológicos futuros. Dichos modelos se han extendido para analizar el ruido de alta frecuencia en estos diapositivos

Devenlopment of Compact Small Signal Quasi Static Models for Multiple Gate Mosfets

En esta tesis hemos desarrollado los modelos compactos explícitos de carga y de capacitancia adaptados para los dispositivos dopados y no dopados de canal largo (DG MOSFETs dopados, DG MOSFETs no dopados, UTB MOSFETs no dopados y SGT no dopados) de un modelo unificado del control de carga derivado de la ecuación de Poisson. El esquema de modelado es similar en todos estos dispositivos y se adapta a cada geometría. Los modelos de la C.C. y de la carga son completamente compatibles. Las expresiones de la capacitancia se derivan del modelo de la carga. La corriente, la carga total y las capacitancias se escriben en términos de las densidades móviles de la carga en los extremos de fuente y drenador del canal. Las expresiones explícitas e infinitamente continuas se utilizan para las densidades móviles de la carga en la fuente y drenador. Las capacitancias modeladas demuestran el acuerdo excelente con las simulaciones numéricas 2D y 3D (SGT), en todos los regímenes de funcionamiento. Por lo tanto, el modelo es muy prometedor para ser utilizado en simuladores del circuito. Desafortunadamente, no mucho trabajo se ha dedicado a este dominio de modelado. Las cargas analíticas y las capacitancias, asociadas a cada terminal se prefieren en la simulación de circuito. Con respecto al SGT MOSFET, nuestro grupo fue el primero en desarrollar y publicar un modelo de las cargas y de las capacitancias intrínsecas, que es también analítico y explícito. La tesis es organizada como sigue: el capítulo (1) presenta el estado del arte, capítulo (2) el modelado compacto de los cuatro dispositivos: DG MOSFETs dopados, DG MOSFETs no dopados, UTB MOSFETs no dopados y SGT no dopados; en el capítulo (3) estudiamos las capacitancias de fricción en MuGFETs. Finalmente el capítulo (4) resuma el trabajo hecho y los futuros objetivos que necesitan ser estudiados. Debido a la limitación de los dispositivos optimizados disponibles para el análisis, la simulación numérica fue utilizada como la herramienta principal del análisis. Sin embargo, cuando estaban disponibles, medidas experimentales fueron utilizadas para validar nuestros resultados. Por ejemplo, en la sección 2A, en el caso de DG MOSFETs altamente dopados podríamos comparar nuestros resultados con datos experimentales de FinFETs modelados como DG MOSFETs. La ventaja principal de este trabajo es el carácter analítico y explícito del modelo de la carga y de la capacitancia que las hace fácil de implementar en simuladores de circuitos. El modelo presenta los resultados casi perfectos para diversos casos del dopaje y para diversas estructuras no clásicas del MOSFET (los DG MOSFETs, los UTB MOSFETs y los SGTs). La variedad de las estructuras del MOSFET en las cuales se ha incluido nuestro esquema de modelado y los resultados obtenidos, demuestran su validez absoluta. En el capítulo 3, investigamos la influencia de los parámetros geométricos en el funcionamiento en RF de los MuGFETs. Demostramos el impacto de parámetros geométricos importantes tales como el grosor de la fuente y del drenador o, el espaciamiento de las fins, la anchura del espaciador, etc. en el componente parásito de la capacitancia de fricción de los transistores de la múltiple-puerta (MuGFET). Los resultados destacan la ventaja de disminuir el espaciamiento entre las fins para MuGFETs y la compensación entre la reducción de las resistencias parásitas de fuente y drenador y el aumento de capacitancias de fricción cuando se introduce la tecnología del crecimiento selectivo epitaxial (SEG). La meta de nuestro estudio y trabajo es el uso de nuestros modelos en simuladores de circuitos. El grupo de profesor Aranda, de la Universidad de Granada ha puesto el modelo actual de SGT en ejecución en el simulador Agilent ADS y buenos resultados fueron obtenidos.In this thesis we have developed explicit compact charge and capacitance models adapted for doped and undoped long-channel devices (doped Double-Gate (DG) MOSFETs, undoped DG MOSFETs, undoped Ultra-Thin-Body (UTB) MOSFETs and undoped Surrounding Gate Transistor (SGT)) from a unified charge control model derived from Poisson's equation. The modelling scheme is similar in all these devices and is adapted to each geometry. The dc and charge models are fully compatible. The capacitance expressions are derived from the charge model. The current, total charges and capacitances are written in terms of the mobile charge sheet densities at the source and drain ends of the channel. Explicit and infinitely continuous expressions are used for the mobile charge sheet densities at source and drain. As a result, all small signal parameters will have an infinite order of continuity. The modeled capacitances show excellent agreement with the 2D and 3D (SGT) numerical simulations, in all operating regimes. Therefore, the model is very promising for being used in circuit simulators. Unfortunately, not so much work has been dedicated to this modelling domain. Analytical charges and capacitances, associated with each terminal are preferred in circuit simulation. Regarding the surrounding-gate MOSFET, our group was the first to develop and publish a model of the charges and intrinsic capacitances, which is also analytic and explicit. The thesis is organized as follows: Chapter (1) presents the state of the art, Chapter (2) the compact modeling of the four devices: doped DG MOSFETs, undoped DG MOSFETs, undoped UTB MOSFETs and undoped SGT; in Chapter (3) we study the fringing capacitances in MuGFETs. Finally Chapter (4) summarizes the work done and the future points that need to be studied. Due to the limitation of available optimized devices for analysis, numerical simulation was used as the main analysis tool. However, when available, measurements were used to validate our results. The experimental part was realised at the Microelectronics Laboratory, Université Catholique de Louvain, Louvain-la Neuve, Belgium. For example, in section 2A, in the case of highly-doped DG MOSFETs we could compare our results with experimental data from FinFETs modeled as DG MOSFETs. The main advantage of this work is the analytical and explicit character of the charge and capacitance model that makes it easy to implement in circuit simulators. The model presents almost perfect results for different cases of doping (doped/undoped devices) and for different non classical MOSFET structures (DG MOSFET, UTB MOSFETs and SGT). The variety of the MOSFET structures in which our modeling scheme has been included and the obtained results, demonstrate its absolute validity. In chapter 3, we investigate the influence of geometrical parameters on the RF performance in MuGFETs. We show the impact of important geometrical parameters such as source and drain thickness, fin spacing, spacer width, etc. on the parasitic fringing capacitance component of multiple-gate field-effect transistors (MuGFET). Results highlight the advantage of diminishing the spacing between fins for MuGFETs and the trade-off between the reduction of parasitic source and drain resistances and the increase of fringing capacitances when Selective Epitaxial Growth (SEG) technology is introduced. The goal of our study and work is the usage of our models in circuit simulators. This part, of implementing and testing our models of these multi gate MOSFET devices in circuit simulators has already begun. The group of Professor Aranda, from the University of Granada has implemented the SGT current model in the circuit simulator Agilent ADS and good results were obtained