According to the scaling down of the MOSFET, the high power consumption, which is caused by the high operating voltage and leakage current, have emerged as one of the most problematic part of the silicon-based CMOS. In order to reduce both the operating voltage and the leakage current, the subthreshold swing (SS) of the transistor must be reduced. However, the SS of MOSFET cannot be reduced to less than 60 mV/dec at room temperature because its operating mechanism is based on the thermal diffusion. As a result, various steep-slope devices with the SS lower than 60 mV/dec had been proposed, but those steep-slope devices have low on-current (ION) or limitation on scalability. Therefore, new steep-slope device with high on-current (ION) and scalability is necessary.
In this research, an abrupt switching phenomenon of MOSFET by gate charging is proposed. The reason of the technical limit in the existing steep-slope devices, is the change on the MOSFET structure and the operating principle. Therefore, in the proposed FET (called “Γ-FET”), the MOSFET structure is used as it is, and the steep-slope operation is provided by changing the gate operation. The Γ-FET has a structure in which the transition layer and the triggering gate are mounted on the gate of the conventional MOSFET. Since the MOSFET structure is maintained, the high on-current and the scalability are achieved in Γ-FET.
The steep-slope of the Γ-FET is based on the internal gate structure and transition between triggering gate and internal gate. In the Γ-FET, the transition current amplify the small change of the triggering gate voltage to abrupt change of the internal gate voltage at the subthreshold region of bottom MOSFET. The steep-slope characteristic of Γ-FET is observed in the fabricated device, and the steep-slope mechanism is analytically modeled and verified by simulation.
미세화로 인해 파생되는 높은 누설전류와 동작 전압이 초래하는 높은 전력 소비량은 현재 실리콘 기반 CMOS의 가장 큰 문제점 가운 데 하나로 대두되고 있다. 구동전압과 누설전류를 모두 낮추기 위해서는 트랜지스터의 subthreshold swing (SS)을 줄여야 하나, 기존 MOSFET은 동작 메커니즘 상 상온에서 SS를 60 mV/dec 이하로 줄일 수 없다. 이에 따라 60 mV/dec 이하의 SS를 가지는 다양한 스팁-슬롭 소자들이 제안되었으나, 작은 온-전류, 그리고 소형화의 어려움 등의 문제가 해결되지 않아 새로운 스팁-슬롭 소자가 절실히 필요한 상황이다.
본 연구는 MOSFET 게이트를 게이트 충전 방식으로 동작시켜 급격한 스위칭 현상을 구현하였으며, 이를 통해 기존 스팁-슬롭 소자기술들의 한계였던 작은 온-전류, 그리고 소형화의 어려움을 해결하는 내용을 담고 있다. 기존 기술들이 작은 온-전류 등 기술적인 한계에 부딪힌 이유는 MOSFET 소자 구조와 동작 원리를 변경하였기 때문이다. 따라서 본 연구에서는, MOSFET 구조는 그대로 사용하고, 게이트 동작 방식의 변화만으로 스팁-슬롭 동작을 일으키는 소자인 Γ-FET을 제안한다. Γ-FET은 기존 MOSFET의 게이트 상부에 전이층과 트리거링 게이트가 탑재된 구조이다.
Γ-FET의 스팁-슬롭은 내부 게이트 구조, 그리고 트리거링 게이트와 내부 게이트 사이에 흐르는 전이 전류를 기반으로 한다. 트리거링 게이트의 작은 전압 변화는 전이 전류에 의해 증폭되고, 이는 내부 게이트의 급격한 전압 변화를 야기하여 스팁-슬롭으로 이어진다. 본 연구에서는 이러한 Γ-FET의 스팁-슬롭을 실제 제작된 소자를 통해 확인하였으며, 그 스팁-슬롭 메커니즘을 모델링과 시뮬레이션을 통해 추가로 검증하였다.
