Efeitos da radiação em transistores túnel-FET de porta tripla. - Torres, Henrique Lanza Faria (2018)
Frente à crescente necessidade de que novas tecnologias sejam capazes de operar com confiabilidade em ambientes hostis, a análise dos efeitos da radiação ionizante em dispositivos semicondutores se tornou um ramo de pesquisa em contínua ascensão, contribuindo para o desenvolvimento de tecnologias estratégicas e promovendo o aprimoramento científico e o desenvolvimento tecnológico da humanidade. Por outro lado, a atual tecnologia CMOS de fabricação de circuitos integrados apresenta sinais de limitação, em grande parte, devido às características físicas inerentes ao seu princípio de funcionamento, sendo necessário, portanto, que dispositivos com novos mecanismos de operação e geometrias sejam desenvolvidos. Dentre eles, transistores de tunelamento induzido por efeito de campo (TFET) se destacam por apresentarem menor corrente de dreno quando desligados e a possibilidade de se atingir inclinações de sublimiar abaixo do limite teórico estabelecido por dispositivos MOSFET de 60 mV/déc à temperatura ambiente, permitindo-se a redução da tensão de alimentação dos transistores para cerca de 0,5 V. Buscando contribuir com as necessidades destas duas áreas de pesquisa, neste projeto de mestrado, foi analisado o comportamento de TFETs de silício com porta tripla, fabricados sobre lâmina SOI (silício sobre isolante), submetidos a até 10 Mrad(Si) de dose acumulada total enquanto não polarizados, gerada por uma fonte de prótons de 600 keV de energia. Em uma análise inicial, após exposição de dispositivos de 1 µm de largura de aleta a uma dose de 1 Mrad(Si), foi possível observar uma redução no nível corrente de dreno de estado ligado do dispositivo (ION ? 300 pA) de até 10%, não associada à uma alteração da corrente de porta. Além disso, o efeito da radiação nesses transistores reduz de 10% para 2% quando se aumenta o comprimento do canal de 150 nm para 1 µm. As razões para ambos os fenômenos foram discutidas com base na competição entre os efeitos de divisão da corrente de dreno na primeira e segunda interfaces e do aumento da resistência de canal em dispositivos mais longos. Para uma análise em função da dose acumulada total, dispositivos SOI TFET e SOI MOSFET, ambos de porta tripla, foram caracterizados eletricamente 14 dias após cada etapa de irradiação. De maneira geral, dispositivos de ambas as tecnologias, com largura de aleta igual a 40 nm, apresentaram baixa susceptibilidade aos efeitos cumulativos da radiação ionizante. No entanto, quando considerados dispositivos com largura de aleta muito maior que a altura da aleta (WFIN = 1 µm), nos quais a influência das portas laterais sobre o acoplamento eletrostático do canal é praticamente inexistente, transistores túnel-FET se destacaram positivamente. Esses dispositivos se mostraram resistentes aos efeitos de dose ionizante total (TID) mesmo para doses de 5 Mrad(Si), enquanto os transistores SOI MOSFET apresentaram uma variação gradual de seus parâmetros a cada dose acumulada. Um exemplo disso é a variação observada na inclinação de sublimiar, de 32,5% nos transistores SOI MOSFET e 5,6% nos transistores SOI TFET. Somente após 10 Mrad(Si) de irradiação por prótons é que os TFETs de aleta larga apresentaram variações mais significativas em sua curva de transferência (ID x VG). Tanto para a configuração como tipo P quanto para a configuração como tipo N, notou-se um deslocamento de até 80 mV da curva de transferência do dispositivo para a esquerda, provocado, segundo análise via simulações, pelas cargas fixas positivas geradas pela irradiação no óxido enterrado do dispositivo. Adicionalmente, foi possível observar um aumento da corrente de tunelamento assistido por armadilhas (TAT) nesses dispositivos, provocada pelo aumento da densidade de estados de interface causada também pelos efeitos de TID. O aumento de TAT foi reconhecido como o principal responsável pela degradação de 23,3% da inclinação de sublimiar dos TFETs, com WFIN igual 1 µm, após 10 Mrad(Si). Apesar das mudanças observadas, foi possível se sugerir, através da comparação com transistores SOI MOSFET de dimensões equivalentes, que transistores de tunelamento induzido por efeito de campo podem, futuramente, se tornar referência no quesito imunidade aos efeitos de dose ionizante total.