Quantum-corrected Monte Carlo device simulator for n-type tri-gate transistors

Abstract

The dimensions of planar transistors were reduced until detrimental effects caused by the miniaturization of the transistor became significant. To address this issue, the microelectronics industry has changed the structure of the transistor from a planar to a multigate structure. A Monte Carlo device simulator is an efficient tool to predict and investigate the performance and reliability of transistors. This simulator employs a semiclassical theoretical model to describe the transport of charge carriers. Nevertheless, quantum corrections can be included in this simulator to take into consideration the impact of quantum effects on the electrical behavior of nanoscale transistors. This work proposes a quantum-corrected Monte Carlo device simulator for n-type FinFETs and n-type nanowire transistors. The quantum correction employed here is the Effective Potential approach, where the size of the electrons is no longer disregarded. Thus, space quantization effects such as quantum confinement can be modeled in the device simulator. We have developed a Schrödinger-Poisson solver and an Effective Potential-Poisson solver to extract the unique parameter of the Effective Potential of the transistors of interest. For the n-type FinFET, the Effective Potential parameter is equal to 0.45 nm, while for the n-type nanowire transistor, the Effective Potential parameter is equal to 0.4 nm. Comparing the results of these solvers, we can evaluate that the Effective Potential is a suitable quantum correction to simulate quantum confinement in three-dimensional devices. We have included the Effective Potential as a quantum correction to the Monte Carlo device simulator n-type FinFETs and n-type nanowire transistors. The n-type FinFET was simulated using semiclassical and quantum-corrected simulators. The results of both simulators were contrasted, and it was shown that the quantum-corrected simulator models volume inversion and the reduction of the electron density in the channel, which both are effects of quantum confinement. The nanowire transistor of interest was simulated using the quantum-corrected simulator, the transfer characteristic curve was compared to experimental results, demonstrating that our quantum-corrected simulator results agree very well with the experimental measurements.

As dimensões dos transistores planares foram reduzidas até que efeitos indesejáveis causados pela miniaturização do transistor tornaram-se significativos. Para contornar esse problema, a indústria microeletrônica mudou a estrutura do transistor de uma estrutura planar para uma estrutura multiportas. Um simulador de dispositivos Monte Carlo é uma ferramenta eficiente para prever e investigar o desempenho e a confiabilidade de transistores. Este simulador utiliza um modelo teórico semiclássico para descrever o transporte de portadores de carga. No entanto, correções quânticas podem ser incluídas nesse simulador para considerar o impacto dos efeitos quânticos no comportamento elétrico de transistores em escala nanométrica. Neste trabalho, propomos um simulador de dispositivo Monte Carlo com correção quântica para FinFETs tipo-n e transistores nanofios tipo-n. A correção quântica empregada aqui é o Potencial Efetivo, onde o tamanho dos elétrons não é mais desconsiderado. Assim, efeitos de quantização espacial, como o confinamento quântico, podem ser modelados no simulador do dispositivo. Desenvolvemos um Schrödinger-Poisson solver e um Potencial Efetivo-Poisson solver para extrair o único parâmetro do Potencial Efetivo de ambos os transistores de interesse. Para o FinFET tipo-n, o parâmetro do Potencial Efetivo é igual a 0,45 nm, enquanto para o transistor de nanofios tipo-n, o parâmetro do Potencial Efetivo é igual a 0,4 nm. Comparando os resultados desses solvers, podemos avaliar que o Potencial Efetivo é uma correção quântica adequada para simular o confinamento quântico em dispositivos tridimensionais. Incluímos o Potencial Efetivo como correção quântica nos simuladores de dispositivo Monte Carlo dos transistores FinFET e nanofio tipo-n. O transistor FinFET tipo-n foi simulado usando o simulador semiclássicos e o simulador com correção quântica. Os resultados de ambos os simuladores foram contrastados, mostrando que o simulador com correção quântica modela volume inversion e a redução da densidade eletrônica no canal, os quais são efeitos do confinamento quântico. O transistor de nanofio de interesse foi simulado usando o simulador com correção quântica. A curva transferência desse transistor foi comparada com os resultados experimentais, demonstrando que os resultados do nosso simulador com correção quântica concordam muito bem com as medidas experimentais.