Monte Carlo simulation of III-V material-based MOSFET for high frequency and ultra-low consumption applications
Simulation monte carlo de MOSFET à base de materiaux III-V pour une électronique haute fréquence ultra basse consommation
Résumé
The optimal frequency performance/power-consumption trade-off is very difficult to achieve using CMOS technology because of low Si carrier mobility and relatively large supply voltage (VDD) required for circuit operation. The main objective of this work is to theoretically explore, in terms of operation frequency and power consumption, the potentialities of nano-MOSFET based on III-V materials with low energy bandgap and high electron mobility.First, this work analyzes theoretically the operation of a III-V MOS capacitor using self-consistent solution of Poisson - Schrödinger system equation. We can thus understand how and why the interface trap state densities at high-k/III-V interfaces degrade the intrinsic characteristics. For a 2D geometry, the performance of devices is estimated for digital and analog applications using a model of quasi-ballistic transport.Then, we estimated the performance of III-V MOSFET in static and dynamic regimes under low VDD, using MONACO a Monte Carlo simulator. The characteristics of four designs of III-V MOSFET have been studied quantitatively in terms of quasi-ballistic transport, DC current in ON and OFF states, frequency/consumption efficiency and optimum matching conditions of noise. We provide the guideline on the design optimization of the devices.Finally, the comparative study with Si-based devices clearly demonstrates the potentiality of III-V nano-MOSFET architectures for high-frequency and low-noise application under low operating power and even for low voltage logic.
Le rendement consommation/fréquence des futures générations de circuits intégrés sur silicium n’est pas satisfaisant à cause de la faible mobilité électronique de ce semi-conducteur et des relativement grandes tensions d’alimentation VDD requises. Ce travail se propose d’explorer numériquement les potentialités des transistors à effet de champ (FET) à base de matériaux III-V à faible bande interdite et à haute mobilité pour un fonctionnement en haute fréquence et une ultra basse consommation. Tout d’abord, l’étude consiste à analyser théoriquement le fonctionnement d’une capacité MOS III-V en résolvant de façon auto-cohérente les équations de Poisson et Schrödinger (PS). On peut ainsi comprendre comment et pourquoi les effets extrinsèques comme les états de pièges à l’interface high-k/III-V dégradent les caractéristiques intrinsèques. Pour une géométrie 2D, les performances des dispositifs sont estimées pour des applications logiques et analogiques à l’aide d’un modèle de transport quasi-balistique.Nous avons ensuite étudié plus en détails les performances des MOSFET III-V en régimes statiques et dynamiques sous faible VDD, à l’aide du simulateur particulaire MONACO de type Monte Carlo. Les caractéristiques de quatre topologies de MOSFET ont été quantitativement étudiées, en termes de transport quasi-balistique, de courants statiques aux états passants et bloqués, de rendement fréquence/consommation et de bruit. Nous en tirons des conclusions sur l’optimisation de ces dispositifs. Enfin, l'étude comparative avec un FET à base de Si démontre clairement le potentiel des MOSFET III-V pour les applications à haute fréquence, à faible puissance de consommation et à faible bruit.
Origine : Version validée par le jury (STAR)