Gallium Nitride Field-Effect Transistors for Low-Power Applications for the future of Internet of Things (IoT)

Gallium Nitride Field-Effect Transistors for Low-Power Applications

For applications in ultra-scaled integrated circuits (ICs) and future Internet of Things (IoT), digital and high-speed analog devices capable of low power operation are needed. In this work, two types of novel gallium nitride (GaN) transistors promising for these low power applications ­ GaN nanowire MOSFETs and GaN/InN/GaN tunnel field-effect transistors (TFETs) – are explored both theoretically and experimentally.

Nanowire MOSFETs are promising for more aggressive scaling, high-frequency operation at reduced power, and sensing applications. By combining these features with the intrinsic material properties of GaN, such as high electron mobility and wide band gap, GaN nanowire MOSFETs appear promising for the low-power high-speed applications and sensors. In this work, Al2O3/GaN MOS structures fabricated using atomic-layer-deposition (ALD) are first investigated to study the oxide/semiconductor interface. Using this optimized ALD process, fabricated GaN nanowire MOSFETs exhibit promising device performance metrics, including an average switching slope (SS) of 61 mV/dec over 4 decades of drain current, and an on-current (ION) of 44 mA/mm. To improve the process controllability and enable ultra-dense integration, vertical GaN nanowire MOSFETs may be preferred, a fabrication process flow for which is presented.

TFETs are being explored for low-power logic. Using quantum-mechanical tunneling instead of thermionic emission, TFETs have the potential to achieve SS below 60 mV/decade. TFETs based on small band gap materials, such as III-V materials, tend to exhibit large off-currents and typically suffer from ambipolar conduction. To address these challenges, wide band gap III-nitride based TFETs are explored in this work. These devices use polarization engineering to overcome the difficulty of tunneling inefficiency imposed by wide band gap. An analytical model for GaN/InGaN/GaN tunnel junctions have been developed. GaN/In0.22Ga0.78N/GaN diodes have been fabricated and characterized, and simulation-based exploration of the design space for III-nitride based TFETs has been performed. Simulations suggest that achieving on/off ratios exceeding 106, as well as SS well below the 60 mV/dec and ION on the order of 100’s of mA/mm should be possible. This level of performance projects energy-delay products approaching 67 aJ*ps/um, a value well beyond projections for conventional CMOS. Fabrication options and the prospects for additional applications are also evaluated.

______________________________________________________________________

PORTUGUESE | PORTUGUÊS

Transistores de efeito de campo de nitreto de gálio para aplicações de baixa potência

Para aplicações em circuitos integrados ultraescaláveis ​​(ICs) e Internet das coisas (IoT) do futuro, são necessários dispositivos digitais e analógicos de alta velocidade com baixa potência. Neste trabalho, dois tipos de novos transistores de nitreto de gálio (GaN) promissores para essas aplicações de baixa potência MOSFETs de nanofios GaN e transistores de efeito de campo de túnel GaN / InN / GaN (TFETs) - são explorados tanto teórica quanto experimentalmente.

Os nanowire MOSFETs são promissores para aplicações de dimensionamento mais agressivas, operação de alta frequência com potência reduzida e detecção. Ao combinar esses recursos com as propriedades intrínsecas do material de GaN, como alta mobilidade de elétrons e intervalo de banda amplo, os nanofios de GaN MOSFETs parecem promissores para as aplicações e sensores de alta velocidade de baixa potência. Neste trabalho, estruturas de Al2O3 / GaN MOS fabricadas usando deposição de camada atômica (ALD) são investigadas inicialmente para estudar a interface óxido / semicondutor. Usando este processo ALD otimizado, os MOSFETs de nanofios GaN fabricados exibem métricas de desempenho de dispositivo promissoras, incluindo uma inclinação de comutação média (SS) de 61 mV / dec em 4 décadas de corrente de drenagem e uma corrente ativa (ION) de 44 mA / mm. Para melhorar a capacidade de controle do processo e permitir a integração ultradensa, MOSFETs de nanofios GaN verticais podem ser preferidos, um fluxo de processo de fabricação para o qual é apresentado.

TFETs estão sendo explorados para lógica de baixa potência. Usando tunelamento mecânico quântico em vez de emissão termiônica, os TFETs têm o potencial de atingir SS abaixo de 60 mV / década. Os TFETs baseados em materiais de lacuna de banda pequena, como materiais III-V, tendem a exibir grandes correntes de saída e normalmente sofrem de condução ambipolar. Para enfrentar esses desafios, TFETs baseados em nitreto III de gap largo são explorados neste trabalho. Esses dispositivos usam a engenharia de polarização para superar a dificuldade de ineficiência do tunelamento imposta pelo gap largo. Um modelo analítico para junções de túnel GaN / InGaN / GaN foi desenvolvido. GaN / In0.22Ga0.78N / GaN diodos foram fabricados e caracterizados, e a exploração baseada em simulação do espaço de projeto para TFETs baseados em nitreto III foi realizada. As simulações sugerem que deve ser possível alcançar relações liga / desliga superiores a 106, bem como SS bem abaixo de 60 mV / dec e ION na ordem de 100 de mA / mm. Este nível de desempenho projeta produtos de atraso de energia que se aproximam de 67 aJ * ps / um, um valor muito além das projeções para CMOS convencionais. As opções de fabricação e as perspectivas de aplicações adicionais também são avaliadas.

______________________________________________________________________

FRENCH | FRANÇAIS

Transistors à effet de champ en nitrure de gallium pour applications à faible puissance

Pour les applications dans les circuits intégrés (CI) ultra-échelonnés et le futur Internet des objets (IoT), des dispositifs numériques et analogiques à haut débit capables de fonctionner à faible puissance sont nécessaires. Dans ce travail, deux types de nouveaux transistors en nitrure de gallium (GaN) prometteurs pour ces applications de faible puissance, les MOSFET à nanofil GaN et les transistors à effet de champ tunnel (TFET) GaN / InN / GaN - sont explorés à la fois théoriquement et expérimentalement.

Les MOSFET à nanofils sont prometteurs pour une mise à l'échelle plus agressive, un fonctionnement haute fréquence à puissance réduite et des applications de détection. En combinant ces caractéristiques avec les propriétés matérielles intrinsèques du GaN, telles qu'une mobilité électronique élevée et une large bande interdite, les MOSFET à nanofils de GaN semblent prometteurs pour les applications et les capteurs à grande vitesse et à faible puissance. Dans ce travail, les structures MOS Al2O3 / GaN fabriquées en utilisant le dépôt de couche atomique (ALD) sont d'abord étudiées pour étudier l'interface oxyde / semi-conducteur. En utilisant ce processus ALD optimisé, les MOSFET à nanofils de GaN fabriqués présentent des mesures de performance de dispositif prometteuses, y compris une pente de commutation moyenne (SS) de 61 mV / déc sur 4 décennies de courant de drain et un courant de marche (ION) de 44 mA / mm. Pour améliorer la contrôlabilité du processus et permettre une intégration ultra-dense, des MOSFET à nanofil GaN verticaux peuvent être préférés, un flux de processus de fabrication pour lequel est présenté.

Les TFET sont à l'étude pour une logique de faible puissance. En utilisant un tunnel mécanique quantique au lieu de l'émission thermionique, les TFET ont le potentiel d'atteindre des SS inférieurs à 60 mV / décennie. Les TFET basés sur des matériaux à faible bande interdite, tels que les matériaux III-V, ont tendance à présenter de grands courants d'arrêt et souffrent généralement d'une conduction ambipolaire. Pour relever ces défis, des TFET à large bande interdite à base de nitrure III sont explorés dans ce travail. Ces dispositifs utilisent l'ingénierie de polarisation pour surmonter la difficulté de l'inefficacité tunnel imposée par une large bande interdite. Un modèle analytique pour les jonctions tunnel GaN / InGaN / GaN a été développé. Des diodes GaN / In0.22Ga0.78N / GaN ont été fabriquées et caractérisées, et une exploration basée sur la simulation de l'espace de conception des TFET à base de nitrure III a été réalisée. Les simulations suggèrent qu’il serait possible d’obtenir des rapports marche / arrêt supérieurs à 106, ainsi que des SS bien inférieurs à 60 mV / déc et un ION de l’ordre de 100 mA / mm. Ce niveau de performance projette des produits à retard d'énergie approchant 67 aJ * ps / um, une valeur bien au-delà des projections pour les CMOS conventionnels. Les options de fabrication et les perspectives d'applications supplémentaires sont également évaluées.

______________________________________________________________________

SPANISH | ESPAÑOL

Transistores de efecto de campo de nitruro de galio para aplicaciones de bajo consumo

Para aplicaciones en circuitos integrados (IC) ultraescalados y el futuro Internet de las cosas (IoT), se necesitan dispositivos analógicos digitales y de alta velocidad capaces de funcionar con baja potencia. En este trabajo, se exploran dos tipos de transistores novedosos de nitruro de galio (GaN) prometedores para estas aplicaciones de baja potencia, los MOSFET de nanocables de GaN y los transistores de efecto de campo de túnel (TFET) de GaN / InN / GaN, tanto teórica como experimentalmente.

Los MOSFET de nanocables son prometedores para aplicaciones de detección y escalado más agresivo, funcionamiento de alta frecuencia a potencia reducida. Al combinar estas características con las propiedades intrínsecas del material de GaN, como la alta movilidad de electrones y la banda prohibida amplia, los MOSFET de nanocables de GaN parecen prometedores para las aplicaciones y sensores de baja potencia y alta velocidad. En este trabajo, las estructuras de Al2O3 / GaN MOS fabricadas mediante deposición de capa atómica (ALD) se investigan primero para estudiar la interfaz óxido / semiconductor. Usando este proceso ALD optimizado, los MOSFET de nanocables de GaN fabricados exhiben métricas de rendimiento del dispositivo prometedoras, incluida una pendiente de conmutación promedio (SS) de 61 mV / dec durante 4 décadas de corriente de drenaje y una corriente (ION) de 44 mA / mm. Para mejorar la capacidad de control del proceso y permitir una integración ultradensa, se pueden preferir los MOSFET de nanocables de GaN verticales, para lo cual se presenta un flujo de proceso de fabricación.

Los TFET se están explorando para la lógica de baja potencia. Utilizando la tunelización de la mecánica cuántica en lugar de la emisión termoiónica, los TFET tienen el potencial de lograr SS por debajo de 60 mV / década. Los TFET basados ​​en materiales con banda prohibida pequeña, como los materiales III-V, tienden a presentar grandes corrientes de salida y, por lo general, sufren de conducción ambipolar. Para abordar estos desafíos, en este trabajo se exploran TFETs basados ​​en nitruro III de banda ancha amplia. Estos dispositivos utilizan la ingeniería de polarización para superar la dificultad de la ineficacia de los túneles impuesta por la banda ancha. Se ha desarrollado un modelo analítico para las uniones de túneles GaN / InGaN / GaN. Se han fabricado y caracterizado diodos GaN / In0.22Ga0.78N / GaN, y se ha realizado una exploración basada en simulación del espacio de diseño para TFET basados ​​en nitruro III. Las simulaciones sugieren que debería ser posible lograr relaciones de encendido / apagado superiores a 106, así como SS muy por debajo de 60 mV / dec e ION del orden de 100 de mA / mm. Este nivel de rendimiento proyecta productos de retardo de energía que se acercan a 67 aJ * ps / um, un valor mucho más allá de las proyecciones para CMOS convencionales. También se evalúan las opciones de fabricación y las perspectivas de aplicaciones adicionales.

_______________________________________________________________________

GERMAN | DEUTSCHE

Galliumnitrid-Feldeffekttransistoren für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch

Für Anwendungen in hochskalierten integrierten Schaltkreisen (ICs) und im zukünftigen Internet der Dinge (IoT) werden digitale und analoge Hochgeschwindigkeitsgeräte benötigt, die einen Betrieb mit geringem Stromverbrauch ermöglichen. In dieser Arbeit werden zwei Arten neuartiger Galliumnitrid (GaN) -Transistoren, die für diese Anwendungen mit geringer Leistung vielversprechend sind, sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht.

Nanodraht-MOSFETs versprechen eine aggressivere Skalierung, einen Hochfrequenzbetrieb bei reduzierter Leistung und Sensoranwendungen. Durch die Kombination dieser Merkmale mit den intrinsischen Materialeigenschaften von GaN wie hoher Elektronenmobilität und großer Bandlücke erscheinen GaN-Nanodraht-MOSFETs für Hochgeschwindigkeitsanwendungen und Sensoren mit geringer Leistung vielversprechend. In dieser Arbeit werden zunächst Al2O3 / GaN-MOS-Strukturen untersucht, die mithilfe der Atomlagenabscheidung (ALD) hergestellt wurden, um die Oxid / Halbleiter-Grenzfläche zu untersuchen. Unter Verwendung dieses optimierten ALD-Prozesses weisen hergestellte GaN-Nanodraht-MOSFETs vielversprechende Leistungsmetriken für Bauelemente auf, einschließlich einer durchschnittlichen Schaltsteigung (SS) von 61 mV / Dez über 4 Jahrzehnte Drainstrom und eines Einschaltstroms (ION) von 44 mA / mm. Um die Prozesssteuerbarkeit zu verbessern und eine ultradichte Integration zu ermöglichen, können vertikale GaN-Nanodraht-MOSFETs bevorzugt werden, für die ein Herstellungsprozessfluss vorgestellt wird.

TFETs werden auf Low-Power-Logik untersucht. Durch quantenmechanisches Tunneln anstelle von thermionischer Emission können TFETs SS unter 60 mV / Dekade erreichen. TFETs, die auf Materialien mit kleiner Bandlücke basieren, wie z. B. III-V-Materialien, neigen dazu, große Nebenströme aufzuweisen und leiden typischerweise unter ambipolarer Leitung. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, werden in dieser Arbeit TFETs auf der Basis von III-Nitriden mit großer Bandlücke untersucht. Diese Vorrichtungen verwenden Polarisationstechnik, um die Schwierigkeit der Tunneleffizienz zu überwinden, die durch eine breite Bandlücke verursacht wird. Ein analytisches Modell für GaN / InGaN / GaN-Tunnelübergänge wurde entwickelt. GaN / In0.22Ga0.78N / GaN-Dioden wurden hergestellt und charakterisiert, und es wurde eine simulationsbasierte Untersuchung des Entwurfsraums für TFETs auf III-Nitrid-Basis durchgeführt. Simulationen legen nahe, dass Ein / Aus-Verhältnisse von mehr als 106 sowie SS deutlich unter 60 mV / dec und ION in der Größenordnung von 100 mA / mm möglich sein sollten. Dieses Leistungsniveau projiziert Energieverzögerungsprodukte, die sich 67 aJ * ps / um nähern, ein Wert, der weit über den Projektionen für herkömmliches CMOS liegt. Die Herstellungsoptionen und die Aussichten für zusätzliche Anwendungen werden ebenfalls bewertet.

______________________________________________________________________

ITALIAN | ITALIANO

Transistor ad effetto di campo in nitruro di gallio per applicazioni a bassa potenza

Per le applicazioni nei circuiti integrati ultra scalati (CI) e nel futuro Internet delle cose (IoT), sono necessari dispositivi analogici digitali e ad alta velocità in grado di funzionare a bassa potenza. In questo lavoro, due tipi di nuovi transistor al nitruro di gallio (GaN) promettenti per queste applicazioni a bassa potenza MOSFET a nanofili GaN e transistor a effetto di campo a tunnel GaN / InN / GaN (TFET) - sono esplorati sia teoricamente che sperimentalmente.

I MOSFET Nanowire sono promettenti per scalabilità più aggressiva, funzionamento ad alta frequenza a potenza ridotta e applicazioni di rilevamento. Combinando queste caratteristiche con le proprietà intrinseche del materiale del GaN, come l'elevata mobilità elettronica e l'ampio intervallo di banda, i MOSFET a nanofili GaN sembrano promettenti per le applicazioni e i sensori a bassa potenza e ad alta velocità. In questo lavoro, le strutture MOS Al2O3 / GaN fabbricate utilizzando la deposizione di strato atomico (ALD) vengono prima studiate per studiare l'interfaccia ossido / semiconduttore. Utilizzando questo processo ALD ottimizzato, i MOSFET a nanofili GaN fabbricati mostrano promettenti metriche delle prestazioni del dispositivo, tra cui una pendenza di commutazione media (SS) di 61 mV / dec su 4 decenni di corrente di drain e una corrente on (ION) di 44 mA / mm. Per migliorare la controllabilità del processo e consentire l'integrazione ultra-densa, possono essere preferiti MOSFET a nanofili GaN verticali, per il quale viene presentato un flusso del processo di fabbricazione.

I TFET vengono esplorati per la logica a basso consumo. Usando il tunneling quantistico invece dell'emissione termoionica, i TFET hanno il potenziale per raggiungere SS al di sotto di 60 mV / decade. I TFET basati su materiali con gap di banda ridotto, come i materiali III-V, tendono a mostrare grandi correnti fuori campo e in genere soffrono di conduzione ambipolare. Per affrontare queste sfide, in questo lavoro vengono esplorati TFET basati su nitruro III a banda larga. Questi dispositivi utilizzano l'ingegneria della polarizzazione per superare la difficoltà dell'inefficienza di tunneling imposta dall'ampio intervallo di banda. È stato sviluppato un modello analitico per le giunzioni di tunnel GaN / InGaN / GaN. I diodi GaN / In0.22Ga0.78N / GaN sono stati fabbricati e caratterizzati ed è stata eseguita un'esplorazione basata sulla simulazione dello spazio di progettazione per TFET basati su nitruro III. Le simulazioni suggeriscono che dovrebbe essere possibile ottenere rapporti on / off superiori a 106, così come SS ben al di sotto di 60 mV / dec e ION dell'ordine di 100 di mA / mm. Questo livello di prestazioni proietta prodotti a ritardo energetico che si avvicinano a 67 aJ * ps / um, un valore ben oltre le proiezioni per CMOS convenzionali. Vengono valutate anche le opzioni di fabbricazione e le prospettive per ulteriori applicazioni.

_______________________________________________________________________

RUSSIAN | РУССКИЙ

Полевые транзисторы из нитрида галлия для маломощных приложений

Для приложений в сверхмасштабируемых интегральных схемах (ИС) и в будущем Интернете вещей (IoT) необходимы цифровые и высокоскоростные аналоговые устройства, способные работать с низким энергопотреблением. В этой работе как теоретически, так и экспериментально исследуются два типа новых транзисторов из нитрида галлия (GaN), перспективных для этих маломощных приложений, полевых МОП-транзисторов с GaN нанопроволокой и туннельных полевых транзисторов (TFET) GaN / InN / GaN.

Nanowire MOSFET перспективны для более агрессивного масштабирования, высокочастотной работы при пониженной мощности и сенсорных приложений. Благодаря сочетанию этих характеристик с присущими GaN свойствами материала, такими как высокая подвижность электронов и широкая запрещенная зона, полевые МОП-транзисторы на основе нанопроволоки из GaN кажутся многообещающими для маломощных высокоскоростных приложений и датчиков. В этой работе MOS-структуры Al2O3 / GaN, изготовленные с использованием атомно-слоистого осаждения (ALD), сначала исследуются для изучения границы раздела оксид / полупроводник. Используя этот оптимизированный процесс ALD, изготовленные полевые МОП-транзисторы с нанопроволокой на основе GaN демонстрируют многообещающие показатели производительности устройства, в том числе средний наклон переключения (SS) 61 мВ / дек за 4 декады тока стока и текущий ток (ION) 44 мА / мм. Для улучшения управляемости процесса и обеспечения сверхплотной интеграции могут быть предпочтительны вертикальные полевые МОП-транзисторы с GaN-нанопроволокой, технологический процесс изготовления которых представлен.

TFET исследуются для маломощной логики. Используя квантово-механическое туннелирование вместо термоэлектронной эмиссии, TFET могут достигать SS ниже 60 мВ / декаду. ТФЭТ на основе материалов с малой шириной запрещенной зоны, таких как материалы III-V, обычно демонстрируют большие токи отключения и обычно страдают от амбиполярной проводимости. Для решения этих проблем в данной работе исследуются широкозонные ТФЭТ на основе III-нитрида. В этих устройствах используется технология поляризации, чтобы преодолеть проблему неэффективности туннелирования, обусловленную широкой запрещенной зоной. Разработана аналитическая модель туннельных переходов GaN / InGaN / GaN. Были изготовлены и охарактеризованы диоды GaN / In0,22Ga0,78N / GaN, а также выполнено основанное на моделировании исследование возможностей проектирования TFET на основе III-нитрида. Моделирование показывает, что возможно достижение отношений включения / выключения, превышающих 106, а также SS значительно ниже 60 мВ / дек и ION порядка 100 мА / мм. При таком уровне производительности продукты с задержкой энергии достигают 67 АДж * пс / мкм, что намного превосходит прогнозы для обычных КМОП. Также оцениваются варианты изготовления и перспективы дополнительных приложений.

______________________________________________________________________

CHINESE | 中文

用于低功率应用的氮化镓场效应晶体管

对于超大规模集成电路（IC）和未来的物联网（IoT）中的应用，需要能够低功耗运行的数字和高速模拟设备。在这项工作中，从理论上和实验上都探索了两种有望在这些低功率应用中使用的新型氮化镓（GaN）晶体管GaN纳米线MOSFET和GaN / InN / GaN隧道场效应晶体管（TFET）。

纳米线MOSFET有望用于更积极的缩放，降低功耗的高频操作以及传感应用。通过将这些特性与GaN的固有材料特性（例如高电子迁移率和宽带隙）相结合，GaN纳米线MOSFET有望在低功率高速应用和传感器中获得应用。在这项工作中，首先研究了使用原子层沉积（ALD）制造的Al2O3 / GaN MOS结构，以研究氧化物/半导体界面。使用这种优化的ALD工艺，制成的GaN纳米线MOSFET展现出了令人鼓舞的器件性能指标，包括在4年的漏极电流中的平均开关斜率（SS）为61 mV / dec，以及44 mA / mm的导通电流（ION）。为了改善工艺可控性并实现超致密集成，垂直GaN纳米线MOSFET可能是首选，为此提出了一种制造工艺流程。

TFET正在探索低功耗逻辑。使用量子机械隧穿而不是热电子发射，TFET有潜力实现低于60 mV /十倍的SS。基于小带隙材料（例如III-V材料）的TFET倾向于表现出大的关断电流，并且通常遭受双极性传导的困扰。为了应对这些挑战，这项工作探索了基于宽带隙III族氮化物的TFET。这些设备使用极化工程技术来克服宽带隙带来的隧道效率低下的困难。已经开发了用于GaN / InGaN / GaN隧道结的分析模型。已经制造并表征了GaN / In0.22Ga0.78N / GaN二极管，并且对基于III氮化物的TFET的设计空间进行了基于仿真的探索。仿真表明，应该有可能实现超过106的开/关比，以及SS远低于60 mV / dec和ION约为100's mA / mm的ION。这一性能水平预计能量延迟产品将接近67 aJ * ps / um，该值远远超出了传统CMOS的预测值。还评估了制造选项和其他应用前景。

______________________________________________________________________

JAPANESE | 日本語

低電力アプリケーション向けの窒化ガリウム電界効果トランジスタ

超スケールの集積回路（IC）や将来のモノのインターネット（IoT）でのアプリケーションには、低電力動作が可能なデジタルおよび高速アナログデバイスが必要です。この研究では、これらの低電力アプリケーションに有望な2種類の新しい窒化ガリウム（GaN）トランジスター­ GaNナノワイヤーMOSFETとGaN / InN / GaNトンネル電界効果トランジスター（TFET）を理論的および実験的に探索します。

ナノワイヤMOSFETは、より積極的なスケーリング、低電力での高周波動作、センシングアプリケーションに有望です。これらの機能を、高電子移動度やワイドバンドギャップなどのGaN固有の材料特性と組み合わせることにより、GaNナノワイヤーMOSFETは、低電力高速アプリケーションおよびセンサーに有望であるように見えます。この研究では、原子層堆積（ALD）を使用して製造されたAl2O3 / GaN MOS構造を最初に調査して、酸化物/半導体の界面を調べます。この最適化されたALDプロセスを使用して、製造されたGaNナノワイヤーMOSFETは、40年間のドレイン電流で61 mV / decの平均スイッチングスロープ（SS）と44 mA / mmのオン電流（ION）を含む、有望なデバイスパフォーマンスメトリックを示します。プロセスの制御性を改善し、超高密度の統合を可能にするために、縦型GaNナノワイヤーMOSFETが好ましい場合があります。その製造プロセスフローを示します。

TFETは低電力ロジック用に検討されています。熱電子放出の代わりに量子力学的トンネリングを使用して、TFETは60 mV / decade未満のSSを達成する可能性があります。 III-V材料などの小さなバンドギャップ材料に基づくTFETは、大きなオフ電流を示す傾向があり、通常は両極性の伝導に悩まされます。これらの課題に対処するために、この研究ではワイドバンドギャップIII窒化物ベースのTFETについて検討します。これらのデバイスは、分極エンジニアリングを使用して、ワイドバンドギャップによって課される非効率的なトンネリングの困難を克服します。 GaN / InGaN / GaNトンネル接合の解析モデルが開発されました。 GaN / In0.22Ga0.78N / GaNダイオードが製造および特性評価され、III族窒化物ベースのTFETの設計空間のシミュレーションに基づく調査が行われました。シミュレーションでは、オン/オフ比が106を超え、SSが60 mV / decをはるかに下回り、IONが100ミリアンペア/ mm程度になる可能性があることが示唆されています。このレベルのパフォーマンスでは、67 aJ * ps / umに近いエネルギー遅延製品が予測されます。これは、従来のCMOSの予測をはるかに超える値です。製造オプションと追加のアプリケーションの見通しも評価されます。

______________________________________________________________________

ARABIC | عربى

ترانزستورات نيتريد الغاليوم ذات التأثير الميداني للتطبيقات منخفضة الطاقة

بالنسبة للتطبيقات في الدوائر المتكاملة فائقة التحجيم (ICs) وإنترنت الأشياء في المستقبل (IoT) ، هناك حاجة إلى أجهزة تناظرية رقمية وعالية السرعة قادرة على تشغيل طاقة منخفضة. في هذا العمل ، تم استكشاف نوعين من ترانزستورات نيتريد الغاليوم (GaN) الجديدة الواعدة لهذه التطبيقات منخفضة الطاقة GaN nanowire MOSFETs وترانزستورات التأثير الميداني GaN / InN / GaN (TFETs) - من الناحية النظرية والتجريبية.

تعد Nanowire MOSFETs واعدة بمقياس أكثر قوة ، وتشغيل عالي التردد بطاقة منخفضة ، وتطبيقات الاستشعار. من خلال الجمع بين هذه الميزات وخصائص المواد الجوهرية لـ GaN ، مثل التنقل العالي للإلكترون وفجوة النطاق العريض ، تبدو شبكات GaN nanowire MOSFET واعدة لتطبيقات وأجهزة الاستشعار منخفضة الطاقة عالية السرعة. في هذا العمل ، تم فحص هياكل Al2O3 / GaN MOS المصنعة باستخدام ترسيب الطبقة الذرية (ALD) أولاً لدراسة واجهة الأكسيد / أشباه الموصلات. باستخدام عملية ALD المُحسَّنة هذه ، تُظهر وحدات GaN nanowire MOSFETs المُصنَّعة مقاييس أداء الجهاز الواعدة ، بما في ذلك منحدر تبديل متوسط ​​(SS) يبلغ 61 مللي فولت / ديسمبر على مدار 4 عقود من تيار التصريف ، وتيار مستمر (ION) يبلغ 44 مللي أمبير / مم. لتحسين القدرة على التحكم في العملية وتمكين التكامل الفائق الكثافة ، قد يُفضل استخدام وحدات الترانزستورات الفلورية النانوية ذات الأسلاك النانوية العمودية ، حيث يتم تقديم تدفق عملية التصنيع.

يتم استكشاف TFETs لمنطق الطاقة المنخفضة. باستخدام النفق الميكانيكي الكمومي بدلاً من الانبعاث الحراري ، فإن TFETs لديها القدرة على تحقيق SS أقل من 60 مللي فولت / عقد. تميل TFETs القائمة على مواد فجوة النطاق الصغيرة ، مثل المواد III-V ، إلى إظهار تيارات كبيرة خارج التيار وتعاني عادةً من التوصيل ثنائي القطب. لمواجهة هذه التحديات ، تم استكشاف فجوة النطاق العريضة III-nitride TFETs في هذا العمل. تستخدم هذه الأجهزة هندسة الاستقطاب للتغلب على صعوبة عدم كفاءة الأنفاق التي تفرضها فجوة النطاق الواسعة. تم تطوير نموذج تحليلي لتقاطعات أنفاق GaN / InGaN / GaN. تم تصنيع وتوصيف الثنائيات GaN / In0.22Ga0.78N / GaN ، وتم إجراء استكشاف قائم على المحاكاة لمساحة التصميم لـ TFETs القائمة على نيتريد III. تقترح عمليات المحاكاة أن تحقيق نسب تشغيل / إيقاف تتجاوز 106 ، بالإضافة إلى SS أقل بكثير من 60 مللي فولت / ديسمبر و ION بترتيب 100 مللي أمبير / مم يجب أن يكون ممكنًا. يعرض هذا المستوى من الأداء منتجات تأخير الطاقة تقترب من 67 aJ * ps / um ، وهي قيمة تتجاوز بكثير توقعات CMOS التقليدية. يتم أيضًا تقييم خيارات التصنيع وآفاق التطبيقات الإضافية.

Source: https://curate.nd.edu/show/2f75r783t8k

______________________________________________________________________

English: Gallium nitride field-effect transistors for low-power applications in integrated circuits and the future of Internet of Things

Arabic: ترانزستورات التأثير الميداني لنتريد الغاليوم للتطبيقات منخفضة الطاقة في الدوائر المتكاملة ومستقبل إنترنت الأشياء

Bulgarian: Транзистори с полеви ефект от галиев нитрид за приложения с ниска мощност в интегрални схеми и бъдещето на Интернет на нещата

Chinese Simplified: 氮化镓场效应晶体管，用于集成电路中的低功率应用和物联网的未来

Chinese Traditional: 氮化鎵場效應晶體管，用於集成電路中的低功耗應用和物聯網的未來

Croatian: Tranzistori s efektom galij-nitrid-a za primjene male snage u integriranim krugovima i budućnost Interneta stvari

Czech: Tranzistory s efektem pole nitridu galia pro aplikace s nízkou spotřebou v integrovaných obvodech a budoucnost internetu věcí

Danish: Galliumnitrid-felteffekt-transistorer til applikationer med lav effekt i integrerede kredsløb og fremtiden for tingenes internet

Dutch: Galliumnitride veldeffecttransistors voor toepassingen met laag vermogen in geïntegreerde schakelingen en de toekomst van het internet der dingen

Esperanto: Galium nitridaj kampefikaj transistoroj por malalt-potencaj aplikoj en integraj cirkvitoj kaj la estonteco de la Interreto de Aĵoj

Estonian: Galliumnitriidi väljatransistorid integreeritud vooluahelate väikese energiatarbega rakenduste jaoks ja asjade Interneti tulevik

Finnish: Galliumnitridin kenttätransistorit pienitehoisille sovelluksille integroiduissa piireissä ja esineiden internetin tulevaisuus

French: Transistors à effet de champ en nitrure de gallium pour les applications basse consommation dans les circuits intégrés et l'avenir de l'Internet des objets

German: Galliumnitrid-Feldeffekttransistoren für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch in integrierten Schaltkreisen und die Zukunft des Internet der Dinge

Greek: Τρανζίστορ πεδίου εφέ πεδίου Gallium nitride για εφαρμογές χαμηλής ισχύος σε ολοκληρωμένα κυκλώματα και το μέλλον του Διαδικτύου των πραγμάτων

Hebrew: טרנזיסטורי אפקט שדה גליום ניטריד ליישומים בעלי הספק נמוך במעגלים משולבים ועתיד האינטרנט של הדברים

Indonesian: Transistor efek medan Gallium nitride untuk aplikasi berdaya rendah di sirkuit terintegrasi dan masa depan Internet of Things

Italian: Transistor ad effetto di campo in nitruro di gallio per applicazioni a bassa potenza in circuiti integrati e il futuro dell'Internet degli oggetti

Japanese: 集積回路での低電力アプリケーションおよびモノのインターネットの未来のための窒化ガリウム電界効果トランジスタ

Korean: 집적 회로의 저전력 애플리케이션과 사물 인터넷의 미래를위한 질화 갈륨 전계 효과 트랜지스터

Latvian: Gallija nitrīda lauka tranzistori mazjaudas lietojumiem integrētajās shēmās un lietiskā interneta nākotne

Lithuanian: Galio nitrido lauko tranzistoriai, skirti mažai energijos naudojantiems integriniuose grandynuose ir daiktų interneto ateitis

Norwegian: Galliumnitrid felt-effekt transistorer for applikasjoner med lav effekt i integrerte kretser og fremtiden for tingenes internett

Polish: Tranzystory polowe z azotku galu do zastosowań o niskim poborze mocy w układach scalonych i przyszłości Internetu rzeczy

Portuguese: Transistores de efeito de campo de nitreto de gálio para aplicações de baixa potência em circuitos integrados e o futuro da Internet das Coisas

Romanian: Tranzistoare cu efect de câmp de nitrură de galiu pentru aplicații de putere redusă în circuite integrate și viitorul internetului obiectelor

Russian: Полевые транзисторы из нитрида галлия для маломощных применений в интегральных схемах и будущее Интернета вещей

Serbian: Транзистори са ефектом галијум нитрида за примену мале снаге у интегрисаним круговима и будућност Интернета ствари

Slovak: Tranzistory s efektom poľa nitridu gália pre aplikácie s nízkym výkonom v integrovaných obvodoch a budúcnosť internetu vecí

Slovenian: Poljski tranzistorji iz galijevega nitrida za uporabo z majhno močjo v integriranih vezjih in prihodnost interneta stvari

Spanish: Transistores de efecto de campo de nitruro de galio para aplicaciones de bajo consumo en circuitos integrados y el futuro de Internet de las cosas

Swedish: Galliumnitridfälteffekttransistorer för applikationer med låg effekt i integrerade kretsar och framtiden för sakernas internet

Tajik: Транзисторҳои самарабахши соҳаи галлий нитриди барои барномаҳои камқувват дар схемаҳои интегралӣ ва ояндаи Интернети ашё

Thai: แกลเลียมไนไตรด์ทรานซิสเตอร์ภาคสนามสำหรับการใช้งานพลังงานต่ำในวงจรรวมและอนาคตของ Internet of Things

Turkish: Entegre devrelerde düşük güçlü uygulamalar için galyum nitrür alan etkili transistörler ve Nesnelerin İnternetinin geleceği

Ukrainian: Польові транзистори з нітриду галію для малопотужних застосувань в інтегральних схемах і майбутнє Інтернету речей

Vietnamese: Bóng bán dẫn hiệu ứng trường gallium nitride cho các ứng dụng công suất thấp trong các mạch tích hợp và tương lai của Internet of Things

Bengali: সংহত সার্কিটগুলিতে স্বল্প-পাওয়ার অ্যাপ্লিকেশন এবং ইন্টারনেটের ভবিষ্যতের ভবিষ্যতের জন্য গ্যালিয়াম নাইট্রাইড ফিল্ড-এফেক্ট ট্রানজিস্টর

Catalan: Transistors d’efecte de camp de nitrur de gali per a aplicacions de baixa potència en circuits integrats i el futur de la Internet de les coses

Filipino: Ang mga transistor ng patlang na epekto ng Gallium nitride para sa mga aplikasyon na may mababang lakas sa mga integrated circuit at sa hinaharap ng Internet of Things

Malay: Transistor kesan medan Gallium nitrida untuk aplikasi kuasa rendah dalam litar bersepadu dan masa depan Internet of Things

Marathi: इंटिग्रेटेड सर्किटमधील कमी-उर्जा अनुप्रयोगांसाठी गॅलियम नायट्राइड फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टर आणि इंटरनेट ऑफ थिंग्ज

Malayalam: ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകളിലെ കുറഞ്ഞ പവർ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കായുള്ള ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് ഫീൽഡ്-ഇഫക്റ്റ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ, ഇന്റർനെറ്റ് ഓഫ് തിംഗ്സിന്റെ ഭാവി

Tamil: ஒருங்கிணைந்த சுற்றுகளில் குறைந்த சக்தி பயன்பாடுகளுக்கான காலியம் நைட்ரைடு புலம்-விளைவு டிரான்சிஸ்டர்கள் மற்றும் இன்டர்நெட் ஆஃப் திங்ஸின் எதிர்காலம்

Urdu: مربوط سرکٹس میں کم طاقت کی ایپلی کیشنز اور انٹرنیٹ آف چیز کے مستقبل کے لئے گیلیم نائٹریڈ فیلڈ ایفیکٹ ٹرانجسٹر

Telugu: ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్లలో తక్కువ-శక్తి అనువర్తనాల కోసం గాలియం నైట్రైడ్ ఫీల్డ్-ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్లు మరియు ఇంటర్నెట్ ఆఫ్ థింగ్స్ యొక్క భవిష్యత్తు