MOSFETs Basados En Semiconductores III-V

En los últimos años ha resurgido el interés en el estudio de dispositivos MOSFET
basados en semiconductores III-V gracias a los avances realizados en la deposición de
dieléctricos high-κ y a la necesidad de canales con alta movilidad. En el presente trabajo se hace un estudio del estado del arte en este campo y la resolución autoconsistente de las ecuaciones de Poisson y Schrödinger unidimensionales para el cálculo de la estructura de bandas y densidad de portadores en diversas combinaciones de compuestos III-V y dieléctricos high-κ

Introducción

Tradicionalmente se ha usado el silicio como material semiconductor para el canal
de los transistores MOSFET y su óxido nativo (SiO2) como aislante de puerta. Durante
las últimas cuatro décadas se ha satisfecho la demanda de mayores prestaciones, mediante una reducción de la longitud del canal que ha permitido un aumento espectacular del número de transistores por circuito integrado. Esta tendencia se conoce popularmente como "Ley de Moore" y predice que el número de componentes por circuito integrado se dobla cada 18 meses

Dieléctricos High-κ

Para que un dispositivo MOSFET funcione correctamente como transistor, el control de la puerta sobre el canal debe ser mayor que el del drenador, por tanto el escalado de estos dispositivos debe estar acompañado de la correspondiente reducción del espesor del dieléctrico. La contrapartida de esta reducción de tamaño es una mayor corriente de fuga por efecto túnel. Es por ésto que en los últimos años se está investigando en la introducción de dieléctricos de alta permitividad que permitan un mejor control de la carga en el canal manteniendo un espesor de dieléctrico mayor.

Semiconductores III-V

La profundización en el conocimiento de los dieléctricos high-κ ha hecho resurgir el interés en los semiconductores basados en compuestos III-V, que presentan la ventaja de una mayor movilidad en el canal, funcionando a una tensión menor.
Tal es así que en el International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) de 2005 y 2006 se menciona la necesidad de desarrollar la tecnología MOSFET altamente escalada sobre materiales con canal de alta movilidad, entre otros los semiconductores III-V, para obtener así transistores con una mayor capacidad de conducir corriente.

Bloqueo Del Nivel De Fermi

Un grave problema que surge al unir el semiconductor con un óxido no nativo es el del bloqueo del nivel de Fermi. Este fenómeno se debe a la diferente naturaleza e irregularidades en la interfaz del óxido y el semiconductor, que lleva a la formación de estados energéticos dentro de la banda prohibida que atrapan los portadores libres y
cuya consecuencia más directa es que el nivel de Fermi no se modifique a partir de
cierto valor de polarización, degradando la capacidad de transportar corriente del canal.
Una forma común de modelar este efecto es mediante una densidad de carga interfacial (Dit), que si es suficientemente grande (>1012 cm-2eV-1 aprox.), puede formar una doble capa de carga de signo opuesto que tiende a hacer la función trabajo independiente del nivel de Fermi.

Dieléctricos High-κ. Estado Del Arte

En la bibliografía se presentan diferentes soluciones para el dieléctrico de la puerta y no parece haber de momento ningún material que aventaje claramente a los demás.
En todo caso, la combinación de (GdxGa1-x)2O3 con un canal de GaAs y una capa de
pasivación de Ga2O3 parece dar un buen resultado, con una constante dieléctrica de 20
y una Dit≈2.5x1011 cm-2eV-1. Pero otros materiales como el HfO2 no sólo funcionan bien con el silicio, sino que también lo pueden hacer sobre GaAs].
También, aunque quizás menos estudiados, los óxidos de tierras raras prometen altas permitividades y buena estabilidad a altas temperaturas

Transistores MOSFET. Estado Del Arte

Para la sustitución del silicio como material del canal en la tecnología CMOS, son necesarios transistores tanto de canal n como p. Las mejores prestaciones en transistores MOSFET basados en semiconductores III-V se han encontrado para los propuestos por M.Passlack, en el caso del PMOSFET, y K.Rajagopalan, para el NMOSFET. Ambos transistores tienen un canal de InGaAs sobre un substrato de GaAs, aunque la estructura completa es bastante más compleja. Las transconductancias medidas son del orden de 50 y 250mS/mm respectivamente.

Resolución De Las Ecuaciones De Poisson y Schrödinger

Para comprobar las características electrostáticas de estas estructuras MIS se ha procedido a la resolución autoconsistente de las ecuaciones de Schrödinger y Poisson unidimensionales a lo largo de la estructura. En la figura 2 se muestran dos de las figuras obtenidas en las simulaciones para la distribución de portadores en el canal y la altura de la barrera en la interfaz semiconductor-dieléctrico

Conclusiones

En el presente trabajo se ha documentado el estado actual de desarrollo de la tecnología MOSFET basada en semiconductores III-V ante el resurgimiento del interés en ellos en los últimos años como posibles sustitutos del silicio en los dispositivos CMOS.
Al parecer viable su desarrollo por los resultados experimentales obtenidos por M.Passlack para transistores de canal p y por K.Rajagopalan y F.Zhu para transistores de canal n, se ha realizado un estudio electrostático mediante la resolución autoconsistente de las ecuaciones de Poisson y Schrödinger, que servirá de partida para comenzar un estudio de transporte mediante Monte-Carlo en estos dispositivos.

Fuente: http://www.ugr.es/~mtaf/documentos/trabajos_investigacion/curso2006_07/FranciscoMartinezCarricondo.pdf
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German Martinez Duarte CRF