Impact of channel length scaling on electrical transport properties of silicon carbide nanowire based field effect transistors (sicnw-fets)

Abstract

Teknolojinin hızlı evrimi, mevcut elektronik cihazların daha küçük boyutta düşük güçtüketimi ile yüksek frekansta çalışmaya zorlamaktadır. Bunula birlikte, çoğunlukla Silisyum tabanlı transistörler (örn. CMOS - Tamamlayıcı Metal Oksit Yarıiletken), Si teknolojisinin cihaz boyutu ve çalışma frekansı bakımından neredeyse fiziksel sınıra ulaşması sebebiyle daha fazla küçültülememektedir. Bu problemlerin üstesinde gelmek ve daha küçük ve verimli transistörlerin üretilebilmesi için 1-boyutlu yapılar (özellikle nano teller ve nano tüpler) ve bu yapıların elektrisel özellikleri son yıllarda fazlaca çalışılmaya başlanmışve araştırma odağı haline gelmiştir. Genişbant aralıklı bir yarıiletken olan Silisyom Karbür, sahip olduğu yüksek kırılma gerilimi, yüksek ısı iletkenliği, yüksek sürüklenme hızı, fiziksel ve kimyasal özellikleri ve mevcut Si cihazlarla kolay entegre edilebilirlik gibi mükemmel özelliklerinden dolayı araştırmacılar tarafından malzeme özellikleri, imalat, karaterizasyon ve farklı uygulamamları çokca çalışılmaktadır. SiC, kanal malzemesi veya substrat olarak kullanılabilecek umut verici aday materyallerden biridir. Bu çalışmada, Modüler İnce Film Katman Kaplama Sistemi (MOCVD) ile 3C-SiC sentezi ve kanal uzunluğuna bağlı elektriksel iletim özelliklerini incelemek için kanal uzunlukları 120 nm ile 1.5 µm arasında olan SiCNW-FETs üretimi ve test işlemleri yapılmıştır. Ayrıca, SiCNW-FET cihazlarının önemli performans parametrelerini raporlanmışve yakın zamanda yayınlanmışçalışmalarda elde edilen sonuçların kıyaslaması yapılmıştır. Kanal uzunluğu 120 nm olan NW-FET cihaz yüksek bir açık-kapalı akım oranı sergilemiştir Ion/Ioff =1.34x104). Aynı cihaz 0.05 V Vds güçtedariğiyle 6.9 nS geçis iletkenliği ve 1.696 cm2/V.s yük hareketliliği göstermiştir. Bu çalışma, SiCNW-FET'lerin yüksek frekans ve yüksek sıcaklıkta çalışabilen gelişmişkatıhal dijital nanoelektronik cihaz ve develerde kullanılmak üzere iyi bir gelecek vaat ettiğini göstermektedir.

The rapid evolution of technology forces the existing electronic devices to be much more smaller as well as to able to operate at higher frequency with low power consumption. However, current devices (ex. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)) mostly based on Silicon (Si) and Si based transistor technology is almost saturated in terms of device size (a few nm) and operating frequency (few GHz). In order to overcome these issues and realize much faster and smaller transistor with new geometry, 1-D nanostructures (such as nanowires (NWs), nanotubes) and their electrical transport properties have become focus of tremendous research in recent years. Silicon carbide (SiC) nanostructures, a wide band gap semiconductor with excellent properties such as high break-down voltage, high thermal conductivity, high drift velocity physical and chemical properties as well as compatibility with existing Si devices, have been intensely studied in terms of material properties, fabrication, characterization as well as their various applications. SiCNWs are one of the promising candidate to be used as channel material or substrate. In this study, we synthesize 3C-SiCNWs via Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) method and fabricate SiCNW-FETs in order to examine channel length dependent electrical transport characteristic of SiCNW with varying channel lengths ranging from 120 nm to 1.5 µm. Further we report the important performance parameters of SiCNW-FET devices and compare them with recently reported studies. The device with the 120 nm channel length has led to a very high on/off current ratio (Ion/Ioff =1.34x104) and very strong gating effect. Furthermore, the transconductance and the hole mobility have been determined as 6.9 nS and 1.696 cm2/V.s, respectively, at Vds of 0.05 V. This study shows good promise of the SiCNW-FET devices to be used in advanced solid-state nanoelectronic devices capable of operating at high frequency and high temperature.