Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Co mp ut er  Scie nce   Vo l.   23 ,  No.   1 ,   Ju ly   20 21 ,  pp.   1 5 0 ~ 1 6 1   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v 23 .i 1 . pp 1 5 0 - 1 61          150       Journ al h om e page :  http: // ij eecs.i aesc or e.c om   Work   f u nction  variati ons  on elect rostatic  and  RF p er f ormanc es  of J LSD GM De vice       K   K.  E.  Kaha rudin 1 ,  F . Sale hudd in 2 ,  A . S.  M .  Z ain 3 , Am eer F.  R os lan 4 , I . Ah ma d 5   1 ,2,3,4 MiNE,   Ce T RI,   Facu lty   of El ec tron ic s  and  Co m pute r  Engi n ee r ing,   Univ ersit i   T ekni ka l  Mal a y s i a  Mel aka ,   Ma lays ia   1 Facul t y   of Engi nee ring   and   Buil t  Env ironment,  Li ncol n   Univer si t y   Coll ege ,   Ma lay sia   5 Coll ege of   Enginee ring   (CoE) ,   Univer siti   Te n ag a  Nasiona l  (UN I TE N),  M al a y si a       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Dec   4 , 2 02 0   Re vised  A pr   4 ,  2021   Accepte d  J un  1 1 , 202 1     Thi s  pape r  offe r s  a  sy st emati c  a naly s is  on  the   i m pac t  of  work  func ti on  (W F)   var iations  on  elec trost at i c  and  rad io  fre quen c y  (RF)  per form a nce s  of  n - cha nne l  jun ctio nle ss   strai n ed  d ouble   g at e   (DG )   (n - JLSD GM )  m et al   ox ide  sem ic on duct or  fie ld  eff ec t  tr a nsistor  ( MO S F ET ) .   Th e  study   has  bee n   per form ed  unde r  othe   consta n t  le ve l  of  design  par amete rs  th at   oper ates  in   satura t ion  as  a  tra nsconduc ta nc e  amplifier,   con sideri ng  th e  dep ende nc e  of   el e ct rosta ti c  and   RF   per form anc e  on  the   var i at io n  of  WF.   Furthermore,   thi s  pape r  ai m s  to  pr ovide   ph y sic al  i nsight  int o   the  i m prove d  el e ct ro stat ic  and   RF   per form anc es  of   the  proposed  n - JLSD GM   devi ce .   Th e  dev ice  lay out  and   cha ra cteri sti cs  were   d esigne d   and   ext r ac t ed  r espe c ti vely   vi a  a  com pre hensiv e   2 - D  si m ula ti on.   Devic e  p erf orm a nce s  such  as  on - stat e  cur ren t  (I ON ),   off - state  cur ren t  (I OF F ),   on - off  cur ren t  rat io ,   subthreshold  sw ing  (S S ),   int rinsi c   ca pa ci t ances,  d ynamic  power  di ss ipa ti on  (P d y n ),   cut - off  fre qu en c y   (f T )  and  m axi m um   o scillat ion  fre quen c y   (f ma x )   are   i nte nsively   inves ti gat ed   in   conj unc ti on  wi th   W F va riations.   Ke yw or d s :   Cut - off  freq ue ncy   Dynam ic  p ow e r dissi patio n   In tri ns ic  ca pacit ances   Ma xim u m  o scilla ti on  f r eq ue nc y   Off - sta te  c urre nt   On - off  r at io   On - sta te  curre nt     This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  B Y - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Fauziy ah Sal eh uddin   Mi cro  a nd N a no Elec tr on ic s  (M iNE),  Ce ntre  for   Tel ecom m un ic at io n  Re se arch an d Inn ovat ion   (CeTR I )    Faculty  of Elec tro ni cs an d  C om pu te r  En gin e erin g  ( FKEK K )   Un i ver sit i Te knikal M al ay sia  Mel aka   Hang T ua h  Jay a, Du rian  T unggal , 761 00 Mel aka , Mal ay sia   Em a il :  fau zi ya h@utem .ed u.m y       No m enclat ur es   C gd   Gate - to - drai n c apacit ance   L g   Gate le ngth   C gg   Gate - to - gate/ pa rasit ic  capacit anc e   P dyn   Power dyn am i c d issi patio n   C gs   Gate - to - s ource  capacit ance   N ch   Chan nel  doping c on ce ntrati on   f max   Ma xim u m  o scilla ti on  f r eq ue nc y   N sd   Sour ce/ dr ai n d op i ng conce ntr at ion   f T   C u t - o f f   f r e q u e n c y   R g   Gate resist a nce   g m   T r a n s c o n d u c t a n c e   T Si   Sil ic on  thic kne ss   I OFF   Off - sta te  c urre nt   T SiGe   Sil ic on - Ger m anium  thickn ess   I ON   On - sta te  curre nt   T TiO2   Tit anium  d iox i de  thic kn e ss   L ch   Chan nel len gth           Abbreviat io ns   Gr ee k Sy m bo ls   SCE   Shor t c ha nn el   eff ect   τ int   In tri ns ic   gate de la y   SS   Subth reshold  s wing       WF   Me ta l wo r k f unct ion   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c En g  &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Work  f un ct io n variati ons  on e le ct ro stati c an d  RF  p e rfor mances  of JL SDG M D evi ce   ( K K . E. Ka harudin )   151   1.   INTROD U CTION   Ov e r  the  past   deca de,   the   transist or’s  la youts  hea vily   rely   on   the   f orm at ion   of  ju nc ti on s.  Th e   pr ese nce  of  j unct ions  beco m e  extrem el y  i m portant  for  bloc king  a nd  al lo wing  the   c urre nt  to   flo w  a s  t he  gate  bias  is  app li ed .  Th os e  ju ncti on s  a re  com m on ly   patte r ne d  based   on  the  locat ion   of   tw o  op po sit e  pol arit y’s  reg i on s  t hat  pl aced  be sides  one  an oth e r,   kn own  as  t he  p - n  j unct io n.   How ever,  as  the  tra ns ist or  dim ension   is   furthe r  shrin kin g,  the  fa br ic at ion   pr ocess  of  the  j unct io n  tra ns ist ors  i s  bec om ing   qu it e  co m pl ic at ed  du e  to  the   requirem ent  of  extrem el y  low  the rm al   bu dget   pr ocessin g.  The   lo w  the r m al   bu dget   processin g  is   re quire d  t o  form   a  j unct io n  with  hi gh  do ping  gr a dient,  wh il e  a vo i ding   the  dopa nt  re distrib ution  w hich  c ould  a ffec t  the   tran sist or  pe rfo rm ance   [1 ] - [ 3] .  The refor e ,  j unct ion le ss  c onf igurat ion   is  i ntrod uced   as  a n  al te rn at ive  tra nsi sto r   structu re  that  would  av oid   s uch   i ntricat e  f abr ic at io n  pr oc ess.   K hor ram rouz ,   et   al.   ha s  m entioned   t hat  the   process  v ariat ion   in  j unct io nl ess  transisto rs  m igh t  be  avo i da ble  bu t  the  un certai nties  cau sed  by  the  ins ul at ing   thickne ss c ou l d  al te r  t he  s ha pe  of the  en e rg y  b a nd d ia gr am   [3] .   The  first  paten t  of   junc ti on le ss  tran sist or  ha ve  been  in ven t ed  by  the  A us tria n - H unga rian   physi ci st,   Ju li us   E dgar  L il ie nf ie ld  on  22  Oct ober  1925  [ 4] .  T he  tra ns ist or  in ven te d  by  Lil ie nfi el d  co ns ist s  of   a  thin   sem ic on duct or   fil m ,  dep osi te d  on  a  thin  la y er  of  ins ulator  pr otect ed  by  a  m et al   e le ct ro de .   The  m et al   electrode  functi ons  as   a   gate  w hich  c on t ro ls  t he  c onduct in g  c ha nnel .  T he  w orki ng  pri nci ple  is   m a inly   based  on  t he  currents  flo w  i n  the  resist ors  betwee n  tw o  m et al   el ec trodes,  sim i la r  to  the  m od er n  m etal  ox i de  sem ico n duct or   fiel d  eff ect   tra ns ist or  (MO SF ET)   de vice  in  wh ic h  the  drai n  cu rr e nt  flo w s  betwee n  sour ce  and   dr ai n  re gions.   The  Lil ie nf ie ld’s  tra ns ist or  si m ply  beh ave s  as  a  resist or   that  al lows   t he  thin  sem ico nd ucto r  la ye r  to  be   dep le te d  as  ce rtai n  gate  bias   is  app l ie d,   th us   m od ulati ng  it s  carriers.   T he  key  featu re   of   the  ju nctio nless   transisto r  is  th e  creati on  of  a n  ultra - thi n  sil ic on   (S i)   bo dy  that  al lows   c om ple te   dep le ti on   of  m os t  carriers  i n  the  cha nn el   as     the  de vice  is  tur ned   on   [5 ] ,   [ 6] .  Als o,   t he  ultrat hin   Si   body  has  t o  be  hea vily   doped   for   al lowing  an  a de qu at e  am ou nt o f  c urren t  fl ow  to  tur n  the  de vi ce  on .  J unct io nless  co nf i gura ti on   has  bee n  f ound  to  be  ap plied  to  m os t  of   fu ll y  dep le te d  de vic es  su ch    S OI   MOSFET ,  Fin FETs,  Mult iga te   FETs,  π - gat e  FETs,   Ω - gate  FETs a nd G at e - al l - A r ound F ETs,  v e rtic al  MOSF E Ts and  na nowi re  dev ic es  [7 ] - [ 11] .   Ther e  ha ve  be en  so m e  sign if ic ant  prob le m s  with  ag gr es siv e  transisto r  sca li ng ,  s uch   as  s hort  cha nn el   eff ect s  (S CE ),  i m pact  ion iz a ti on s,   an d  gat e  le aka ge   [12 ] - [ 14] .   The refo re,  num ero us   cha nnel   e ngin eerin g  appr oach es  ha ve  bee n  pro pose d  to  count er  these  issue s   [15 ] - [ 17] .  High - k/m et al - gate  (HKMG )   sta ck   te chnolo gy is one the  co m m on  a ppro ac h  t o  c on t ro l t he  g at e  le akag e c urre nt   [18 ] - [ 20] . T he  HKMG i ntegrat io n  offer s  a n  al te r native  opti on  in  m ini m iz ing   the  gate  le aka ge  with out  ha ving  to  re duce   the  thick ness  of   th e   insu la to r  f or  sa m e  intrinsic  capaci ta nces  [2 1] .  Re zel i  et   al.   ha ve  sta te d  that  par am et er  depend e ncies  s houl d  be   caref ully   con s idere d  in  H K MG  base d  t ra ns ist or  due  t o  inco ns ist ent  at om   con fig urat ion   at   the  s urface    m at erial   [15] .    B esi des  HK M G,   strai ne d  e ng i neer i ng  is  al so   a n  e ff ect ive  ap proac h  to  ove rco m e  the  li m i t  of  transisto r’ s   sca li ng   [22] .  It  ha s  bee n  pro ven  to  pr ov i de  a  sign i ficant    boos t  in  the   tran sist or’s  el ect r os ta ti c  an d  rad i o  f re quenc y  (RF)   perfor m ance  by  integrati ng  sil ic on - ger m anium   (S iGe )  on  sil i con   la ye r  (str ai ne d  channel) ,  w hile  keep i ng  the   com patibil ity   with  com plem entary  m et a l  ox ide   sem ico nd ucto r  (CM OS)   te chnolo gy  [ 23] .  The  placem e nt  of  H KM G  la ye rs  on  the   to p  of  th e  strai ne d  c hannel  co ul d  f ur t her  en ha nc e  the   carriers  m ob il it y  wh il e  m a intai nin g  acce ptable  le akag e  cu rr e nt  (I OFF )  [24 ] ,   [ 25]   ha ve  em ph asi zed  that  strai n - eng i neer e d  SiGe - base d  c hannel  im pr ov e d  t he  tra ns ist or  pe rfor m ance  but   the  var ia bili ty   i m pact  on  ultr a - scal e  nano wire  res ulti ng  in  str ong  V th   var ia ti ons  s hould be  ser i ously  lo ok e d  i nto   [26] .   The  i m pact  of  wo r k  f un ct io n  ( WF)   en gine erin g  towa rd s   el ect ro sta ti c  and   RF  pe rf orm ance  of   a   transisto r  is  ve ry  cru ci al ,  es pe ci al ly   with  trem end ous  gro w th  in  the  RF  wireless  te ch no l ogie s  an d  the  de m and   for  lo w - c os t  hi gh - s peed   R F  a pp li cat io ns .  T he   W F  e ng i neeri ng   of   CM OS   t echnolo gy  re quires  the  i nteg r at ion   of   diff e re nt  H KMG  m at erials  fo r  NMO S  and   PM OS .  T unin g  the  ap pro pr ia te   WF   that   m at ch  the  HK MG   pro per ti es  bec om es  a  cru ci al   factor   in  achievin g  a  bette r  el ect ro s ta ti c  and   RF  per f orm ances  of   a    transisto r  [27 ] - [ 29] .    In  our   rece nt  works,  t he  im pact  of  gate  le ng t h  var ia ti ons   on  the   n - c ha nn el   Junct io nless  Strai ned    DG - MO SFET  (n - JLS D GM)  perform ances  hav e  been   st udie d  an d  a naly zed  [ 11 ] .  T he  resu lt s  ha ve  s howe d  excell ent  de vi ce  pro per ti es  wh e re  bo t h  I ON   and   g m ( max)   wer e  est im at e d  at   16 80   µ A/ µ m   and   2. 79   m S /µ m   resp ect ively .  Anothe r  pu blishe d  wor k  em ph asi zed  on  the  i m pact  of   strai n  cha nn el   on  n - JL SDGM     pro per t ie s  [ 25 ] .  The  re su lt s  r eveal  the  ad opti on   of   st rain   eff ect   has  tre m end ously   en han ce d  the  c ha nn el   m ob il i ty ,  on - sta te   current,  on - off  rati o  a nd   t ran sc onduct an ce  of   t he  dev ic e.  H ow e ve r,   th is  pap e r  f oc us e s  on  a   syst e m atic  analy sis  of   the  im pact   of  WF   var ia ti on  on  th e  el ect ro sta ti c  and   RF  outp uts  of   the  n - JLS DG M   dev ic e.   The   pa per   is   struct ur e d   as   f ollow s:  sect io n  2  ex plains  the   n - JL SDGM’s   di m ension   a nd   the  2 - D  si m ulati on   via   Sil vaco   At he na  an d  Atla s  resp ect ively .  S ect ion   3  pro vid es  a  com pr e hensi v e  stu dy  of   th e   i m pact  of   WF  var ia ti on  on  the  el ect r os ta ti c  an d  RF  perf or m ances  in  t he  n - JL SDGM   de vice.  Fin al ly ,  the  con cl us io ns  a nd  fu t ur e  w ork  a re  br ie fly   discu ssed  i n  sect io n 4.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   23 , N o.   1 ,  Ju ly   20 21 :  1 5 0   -   1 6 1   152   2.   DEVICE   DI MENSIO N A ND SI MU L A TION   Figures  1  a nd  2,   res pecti vely ,  dis play   the  si m ula ti on   fl ow  and  cr os s - sect ion  la yout  for  n - J LSDGM   dev ic e.  T he  m ai n  substrat e  of  this  de vice  was  base d  on  SiGe  m at eria l  (G e< 20%)  with  a  thick ness  of   8n m ,  m ai nly  op te d  due  to  it s  la rg er   la ttice   con sta nt   than  Si  [30] .  The  ultrat hi n  S i  la ye r  (1   n m )  was  the n  depo sit ed   on   t he  top   of   t he  m ai n  SiGe  la ye r,   thu s  for m ing   a  strai ne d  Si  la ye r.   The   strai ned   e ff ect   on   the  Si  la yer   was   fun dam ental l y ca us e d by the s tret ched Si at om s as its  m ajo rity  tryi ng  to  c oor din at e   with   t he   at om s   of   Si Ge.   Nex t,   the  str a ined  SiGe  a nd   Si  la ye rs  w ere  hea vily   dope d  with  1x10 17 cm - 3   of   A rsen ic   dose     (n - ty pe).  T un gs te n  sil ic ide  ( WSi 2 )  la ye r   was   opte d  f or  the  gate  m at erial   du e  to  it s  s up e rio r  tu na bl e     WF  [31 ] - [ 33] .  The  t op  an d  bott om   gate  config ur at io n  was  intende d  t o  boos t  t he  gate  c ontr ollabil it y  over  th e   strai ned   c hann el ,  thereb y  im p rovin g  the  car r ie r’ s  m ob il it y.  The  le ngth  of  the  gate  (L g )  of   the  pro po se d  de vice   was  scal ed  to  appr ox im at ely  6   nm .  The  W S i 2  la ye r  was  then  placed  on  the  high - k  diele ct ric  la ye r  to  avo i d  po te nti al  d efec ts at  the insula t or / gate bo unda ries that  would ca us e  the t hr es ho l d vo lt ag e ( V th ) pin ning.      Du e  to  it s  high  diele ct ric  allow a bili ty   (~8 5eV),  ti ta niu m   dio xi de  (TiO 2 )  was  ch os en   as  a  gate  diele ct ric  (insu la tor) .  The  util iz at ion   of  TiO 2   as  the  gate  di el ect ric  op e ne d  the  possibil it y  to  app ly   thi cker  insu la to r  f or   t he   m et al - gate.  The  TiO 2   la ye r  ( ~85   e V)   c ould b e  scal ed  a ppr ox im at el y  21   ti m es  thicker  tha n  the   sil ic on   dioxide ,  SiO 2   (3.9   e V ),   there by  m ini m iz ing   the  le akag e  wh il e  ke epin g  the  sam e  capaci ta nce   as  SiO 2  la ye r.   E qu i valent  oxi de  thic kness  (E OT )  is   a   m erit   figu re   to  in dicat e  the   necessa ry  SiO 2   la ye r  thic kn es s  tha t   would  ha ve  a n  eff ect   cl os e   to   that  of   a  certai n  hi gh - k  diele c tric   m at erial .  Hen ce ,  the  E O T  for  the  n - JL SDGM  dev ic e c an  b e  c om pu te d  as:                     (1)     wh e re  Ԑ SiO2   is   the  per m it t ivit y  of  Si O 2   ( 3.9  e V) ,   Ԑ high - k   is  th e  pe rm i tt ivity  of  hi gh - k   diele ct ric  an d  T high - k   is  the   ph ysi cal   thick ne ss  of   high - k   di el ect ric.  Since  the  TiO 2   (~85   eV)   with  3nm   of   thic kn e ss  was  em plo ye d  as  the   gate ins ulato r,   the  E OT   of the  ins ula tor f or  t he n - J LSDGM  d e vice wa s c om pu te d  to  be 0 .138 nm .             Figure  1. Sim ulati on  pr ocess f low f or   n - JLS DG M ’s  desig n     Figure  2. Cr os s - sect ion al  lay out o f n - JLS DGM   dev ic e       The  ne xt  proc ess  was   sou rc e/ dr ai n  (S / D)   doping  i n  wh i ch  the   S/D   re gions  wer e   in f us e d  with   th e   si m il ar  dopan t  ty pe  us e d  i n  c hannel  dopi ng  process   ( Ar se ni c).  T his  proce ss  wa s  perfor m ed  in  orde r  t o  s ha pe   the  N   N+  N  c onfi gurati on,  s o  that  no  jun ct io ns   wer e   create d  betwee n  c ha nn el   an d  S/D  r egio ns   (J un ct io nless) .   Du e  to  j unct i on le ss  c onfig urat ion,  the  str ai ned   cha nnel   was  sign i ficantl y  dep en de d  on   the  hi gh   doping  con ce ntrati on  t o  ins ure  a  la r ge   dr i ve  c urren t.   The  m et al l iz ation   process   wa s  then   car ried  ou t  by  de posit ing  th e   al umi nu m   la yer   on  t he  e ntire   surface  of  the   de vice  str uctu re.  B oth   c onta ct s  an d  el ect rodes  wer e   f or m ed  by   et ching   the  unwan te d  al um in um   la ye r.   Lastly,  the  structure  was  m irro re d  in  bo t h  x   an d  y  axis  to  form   a  com plete  n - JL SDGM. T he de sign pa ram et er s u se d for sim ulati ng  the  d e vi ce are li ste d i n Table   1.     k h i g h k h i g h S i O T E O T 2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c En g  &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Work  f un ct io n variati ons  on e le ct ro stati c an d  RF  p e rfor mances  of JL SDG M D evi ce   ( K K . E. Ka harudin )   153   Table  1.   Desig n  par am et ers  use d  i n  the  sim u la te d  n - JLS D G M  de vice   [ 11 ] ,   [ 25]   Desig n  Par a m eters   Un its   Valu e   SiGe T h ick n ess ,  T S iGe   nm   8   Si T h ick n ess ,  T Si   nm   1   TiO 2   Thic k n ess ,  T T iO2   nm   3   Gate Len g th ,  L g   nm   6   Ch an n el do p i n g ,  N ch   cm - 3   1 .0E1 7   S/D do p in g ,   N sd   cm - 3   1 .0E1 3   Metal  wo rk - f u n ctio n ,  WF   eV   4 .6 - 4 .8       The  extracti on  of   the  de vice   char act erist ic s   fo r  n - JL SDG M  dev ic e  was   carried  out  by   us ing   2 - D  nu m erical   ATLA S  sim ul at or   [34] .  For  the  pur po se  of   this   stud y,  the  drai n - to - s ource  vo lt age  (V ds )  was   fixe d  at   V ds =0.5  V  w hile  t he  gate - to - source   vo lt age  (V gs )  was  sh ifte d  f r om   0V   to   1V.  T he  inv est igati on   on  t he   i m pact  of   WF   var ia ti on  to wa r ds   el ect r os ta ti c  an d  RF   pe rfo r m ance  was   pe r form ed  at   co nst ant  drai n - to - s ource  vo lt age ,  V d s = 0.5  V  ( V DD /2 )  f or  co ns ide rin g  the  dev ic e   subth r esh old  be ha viors.  The   dir ect   current   ( D C)   a nd   al te rn at ing   c urren t  ( AC)   a na ly sis  of   el ect ro sta ti c  and   R F  perf or m ance  in  the  n - JL SDGM  de vice  have   consi der e d  t he  deterio rati on  in  m ob il it y  wit hin   t he  strai ne d  c hannel  that  m igh t  occ ur   du e  to  inc rease d  su r face   d ispe rsion  nea r  the  TiO 2   inte rf ace  of   the  sil ic on .  T hus,  the   dev ic e  sim ula ti on   was  set   up  by  co ns i der i ng   t he   Lom bar di C V T   an d  te m per at ur e  m ob il it y  mo del t o  e xp li ci tl y pr e dict t he n - JLD G VM’s  behavi or s .    Su c h  m ob il ity  m od el s  env isa ge d  the  eff ect   of   tra ns ve rse   fiel ds  al on gs i de  dopi ng   a nd     tem per at ur e - re ta te d  m ob il it y  par am et ers.   Furtherm or e,  the  Shockley – Re a d – Hall   reco m bin at ion   (S R H)   m od el   was  em plo ye d  to  ta ke  t he  ph onon  tra ns it io n  eff ect s  int o  ac count  wh e n  predict ing   t he  le akag e   be ha vior s.  T he  dev ic e  sim ulatio n  dep e nded  upon  a  preci se  pr e dicti on   of  the  DC  an d  AC  cha racteri sti cs,  com pr isi ng   t he   qu a ntu m   eff ec ts.  Hen ce ,  the   qu a ntu m   dr if t - dif fu si on   m od el s  we re  ad opte d  f or  carri er  trans port  of  the     n - J LSDGM  de vice  f or  bette r  accuracy  of  ex tract ed  DC  an d  AC  c har act e r ist ic s,  especial ly   for  belo w  20nm   of   eff ect ive  ch a nn el  leng th  (L eff ).        3.   IMP AC T   OF  THE  WO RK FUNCTIO N VARI ATIO N S O N JLSD G M’S PE RFO RMA NC E   Wor k  functi on   ( W F )  of   tra nsi stors   can  be  t un e d  in  m any  ways  su c h  as  m olecular  do pi ng,  sta ckin g  bi - m et al   la ye r,   and   c hem i cal   vapo r  de posit ion   c ontr ol.  I n  this  stud y,  w ork  f unct ion   ( WF)   ha s  bee n  tu ned   by   doping  TiSi 2 /WSi 2  sta ck  with  diff e re nt  ars enic  co nce ntra ti on ,  ra ng i ng  f ro m   4.6  e V  to   4.8  e V.  T o  e xpli ci tl y  inv est igate   on   the  im pact  of  w ork  functi on  ( WF)   va riat ion s   to wards   the  n - J LS DG M ’s  perform ances,  the   si m ulati on  r es ults hav e b ee n divide d  into tw o  dif fer e nt cate gories whic h  a re elect ro sta ti c p er form ance an d  RF   perform ance.  Desp it e  of  havi ng   dif fer e nt  st ru ct ur e,   the   de finiti on  an d  gr aph ic al   e xtract ion   of  the   n - JL SDGM   dev ic e a re s ti ll   si m il ar w it h  th e co nv e ntio nal  double - gate MOSFE T.     3.1.    El ectro st at ic   perf orm ance s   The  com bin ed plot of  I ds - V gs   trans fer  c har act erist ic s at a con sta nt  V ds =0 .5V w it h  di ff e re nt  WF   in both   li near   an d  log   scal es  fo r  n - J L SDGM  dev ic e   are  sh ow n  in  Fi gure  3.  It  shows  the  im pact  of   dif fer e nt  WF   on    I ds - V gs   trans fer   char act e risti cs  at   a  con sta nt  V ds =0. 5  V,   sh ifti ng   the  c urves  f ro m   0  V  to  1  V.   It  is  ob se rved  that   the  I ds   of  n - JL SDGM   is  in ve rsely   pro portio nal  with   the   WF   va riat ion  in  wh ic h  th e  I ds   increase s   as  t he  WF  decr ease s.            Figure  3 .  Com bin e d  plo t  of  I ds - V gs   tran sfe r  c har act erist ic s a t  V ds =0.5V  w it h diff e re nt  WF   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   23 , N o.   1 ,  Ju ly   20 21 :  1 5 0   -   1 6 1   154   This  i m plies  t hat  higher  WF   yi el ds   hig her   thres ho l d  volt age  (V th )  w hich   def init el y  reduces  the  rate   of  I ds   im pr ov e m ent o ve r  the  incr ease d   gate  bias.  W it h  lo w er  WF ,  the elec tro n  m ob il it y in  the  de plete d chan nel   beco m es  incre ased  due  to  re du ce d  el ect ric  fiel d,   the reb y  i ncr easi ng   t he  on - sta te   cu rr e nt   (I ON )  as  sho wn   i n   Figure  4.  It  is  ob s er ved   that  t he  I ON   is  increased  by  ap pro xim a te ly   35 %  as  t he  WF   is  red uce d  f ro m   4. 8  eV  to   4.6 e V.     Since  the  valu e  of   I ON   is  total ly   dep en ded   on   t he  V th ,  the   V th   value  m us t  be  care fu ll y  adjuste d  by   tun in g  the  co rrec t  m et a l   WF .  As  for  n - JLS DG M  de vice,  decr easi ng   th e   WF   would  co ntribute   to  lowe r  V th ,  thu s   inc reasin g  the  I ON .  T his  i s  in  a greem ent  with  t he  re su lt s   re ported   by  [21 ] ,   [ 29 ] ,   [ 35] . Based  on  the   r esults,  the  highest  re corde d  I ON   is  dem on strat ed  by  the  n - JL S DG M  de vice  with   WF =4 .6   wh ic h  is  m eas ur e d  at   appr ox im at ely   1951  µA/µm .     Fr om   the  le a kag e  perspecti ve,   the  off - sta t e  current  ( I OFF )  ex hib it s  a  co ns ta nt   value  un ti l  the   WF   is  reduce d  to  4.6  eV  a s  dep ic te d  in  Figure  5.  T he  plo t  cl early   shows  t hat  the  I OFF   is   increase d  by  appr ox im at ely  56%  as  the  WF  of   the  n - JLS DG M  de vice  is  fu rt her   re duc ed  belo w  4.7  e V.   T he   resu lt   im plies   that  a  lowe r   WF   w ou l d  con t rib ute  to  m uch   la rg er  l eakag e   cu rr e nt   wh ic h  eve nt ually  deterio rati ng  t he  n - J LS DG M ’s  perform ance.  S uch  beh a vi or  is  m ai nly  du e  to   le sser   ba rr ie rs   in   the  c hannel  wh ic h  m igh t fa il  to  preve nt th e excessi ve  el e ct rons f r om  b ei ng leake d  as  th e  WF   is  furthe r  r e du ce d.             Figure  4 .  Plot  of on - sta te  c urr ent (I ON ) vers us w ork  functi on (WF )     Figure  5 .  Plot  of off - sta te  cur ren t  (I OFF ) ve rs us   wor k  functi on (WF )       The  e ff ect   of  WF   va riat ion  towa r ds   on - off   rati o  of   t he  n - J LSD GM  dev ic e  is  al so   s how n  in   Fig ur e   6.   It  is  show n  th at   the  n - JLS D GM  de vice  ex hib it s  ra ndom   patte rn   of  va riat ion   in  on - off   rati o  as  the  WF   is   reduce d  f r om   4.8  e V  to  4.6  e V.   T his  is  pr e dom inantly   du e  to  the  unpredic ta ble  le akage  be hav i or  to ward s  th e   WF  va riat ion .  The  highest  on - off  rati o  is  dem on strat ed  by  the  n - JL S DG M  de vice  with  4.7  e V  wh ic h  i s   m easur ed  at   4.7x1 0 - 5 .  Hi gher  on - off  rati o  is  al ways  de sirable  f or   at ta ining   m uch   lowe r  sta ti c  po we r  dissipati on es pe ci al ly  in  dig it al  circuit de sig ns .    Subth reshold  s wing  ( SS)   is  a no t her   el ect ric al   char act erist i c  that  are  cr uc ia l  fo r  a naly zi ng   t he  s hort  channel  beh a vi or s  i n  n - JL SDGM  de vice.    It   is  us e d  to  i nd i cat e  how  m uch   the  V gs   re qu i red   i ncr easi ng  the  I ds   by  one  deca de.  It  al so   i m plies  how  ef fecti ve  the  curre nt  flo w   can  be  halte d  as  the  V gs   is  r edu ce d  belo w  V th .  A  transisto r  with   sm aller  SS   va lue  no rm ally  dem on strat es  m uch   faster  s witc hing  ca pa bili ty   since  le ss  V gs   is  need e d  to  c hange  the  de vice  conditi on   from   it s  on - sta te   to  off - sta te   or  vic e  ver sa.  T he  SS   of  the  n - JLS DGM   dev ic e is  m at h e m at ic ally describe d  as:                     (2)     The  im pact  of   WF  var ia ti on s  on   t he  SS  f or  n - JLS DG M  dev ic e  is  s hown   i n  Fig ur e  7.   As  the  WF   ranges  f ro m   4.6  eV  to  4.8  eV ,  it   is  ob served   that  the  n - JL S DG M  s hows  a  const ant  SS  va lue.  The refo re,   it   c an   be  ass um ed  that  no   s hift  in  the  SS   val ue  is  cause d  by  th e  diff e re nce  in   WF .  The  SS   is  est i m at ed  at  84. 8  m V/decad e  f or  al l  the  in vestigat ed  WF   ra ng es.  Sm al le r  SS  denotes  a n  inc r eased  im m un ity  from   sh or t - c hanne l   eff ect s  (S CE)   and  th us   a n  im pro ved   c ha nn e l  gate  acce ss.  The  e xtracted   and  cal culat ed  m agn it ud e   of  V th ,  I ON ,  I OFF ,  I ON /I OFF   r at io  an d  SS   f or  n - JLS DGVM  dev ic e  a re  ta bula te d  in  Ta ble  2.   In  the   ne xt  s ub - sect io n,   t he   eff ec t   of  WF   var ia ti ons  on RF  pe rfo rm ances is add resse d.   ) ( l o g 10 ds gs I d dV SS Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c En g  &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Work  f un ct io n variati ons  on e le ct ro stati c an d  RF  p e rfor mances  of JL SDG M D evi ce   ( K K . E. Ka harudin )   155         Figure  6 .  Plot  of  on - off   c urre nt r at io  v e rs us   work  functi on (WF )     Figure  7 .  Plot  of subth res ho l d  s wing  (S S ) v ersu s   work f unct ion  ( WF)       Table  2.  Elec tr os ta ti c Per form ances  of n - JL S DG M  De vice a t diff e re nt  WF   WF   I ON   (µ A/µ m )   I OFF   (nA/µ m )   I ON /I O FF   ratio (x1 0 5 )   SS ( m V/d ec)   4 .6   1951   7 .8   2 .5   8 4 .8   4 .7   1595   3 .4   4 .7   8 4 .8   4 .8   1275   3 .4   3 .8   8 4 .8       3.2.    R F Per formances   Gate - to - s ource   capaci ta nce  (C gs ),   gate - to - dr ai n  capaci ta nce  (C gd ) ,  pa rasit ic   capaci ta nce  (C gg ) ,  intrinsic  gate  de la y  (τ int ),   dynam ic   po wer   di ssipati on   ( P d y n ),   cut - off  fr e qu ency  (f T )  a nd   m axi m u m   os cilla ti on   fr e qu e ncy  (f m ax )  are   al l  quit e  im po rtant  para m et ers  to  be  exam ined  f rom   the  RF  desi gn  pe rs pecti ve .  A fte r   po st - pr ocessin g  DC  analy sis,  AC  sm all  sign al   analy sis   is  then  perform ed  in  or de r   to  extract  intrinsic   capaci ta nces  ( C gs   &  C gd )  and   par a sit ic   capaci ta nce  (C gg ).  Ca pacit ances  betwee n  reg i ons  is  determ in ed  by  a  sing le   1  M Hz AC i np ut freq ue ncy ( f), as t he   V gs   are  sh ifte d from  0  V  t o 1 V at a c onsta nt  step  of 0.0 1 V .    The  c om bin ed   plo t  f or  the  i nt rinsic  ca pacit ances  (C gs   &  C g d )  as  a  f un ct io n  of  V gs   for  m ulti ple  WF   values  is  sho wn   at   Fig ur e  8.   T he  n - JLS DG M  de vice  exh i bits  ver y  sm a ll   var ia ti on   in  the  C gs   up on  WF   adjustm ent.  Th e  C gs   val ues  of  the   dev ic e  f or  al l  the   in vest igate d  WF   begi n  to   delibe rat el y  increase  as   they   reach   the  c orre sp on ding  V TH .   The  l ow est   C gs   value   is  ob se r ved  to  be  1.1 2  fF /µ m ,  exh ibit ed  by  the  de vic e  with  WF =4.8 e V.   A par t  from  that, the  C gd   value s  of  t he device  f or  all  the  in ves ti gated WF s how  a n  al m os t con sta nt   value un ti l t he y reach a hig he r  le vel of  V gs . At   m axi m u m   V gs , th e  C gd   of  t he  n - JL SDGM  h as  been  i ncr e ased  by  arou nd   57% as  the  WF   has be en  de crease d from  4 .8  e V  to  4.6 e V.  T he n - J LSDGM wit h  WF =4.8 i nd ic a te s the   lowest  C gd   est im at ed  at  0 . 87 fF/ μm .   These  intri ns ic   capaci ta nces  m igh t  no t  be  m utu al .  In   fact ,  con si der i ng   t he  n - JLS DG M   dev ic e  in  the   sat ur at io n  m od e,  any  va riat ion   of  the  V ds   w ou l d  not  co ntr ibu te   any  sig ni ficant  var ia ti on  in  the  I ds   an d  th e   intrinsic  cap aci ta nces  due  to  pi nch   off  phe nom eno n.  H owev er,  w he n  the  V gs   is  var ie d,   a  va riat ion   in   I ds   wou l d  happe n,   co ns e qu e ntly   in du ci ng  va riat ion  in   C gd .  I n  oth e r  words,  a   hi ghe r  po te ntial   is  app li ed   to   the  ga te ,  a   higher  C gd   would  be  in duced .  In   RF  an d  hi gh   f re qu e ncy  ci rcu it s,  ve ry  lar ge  C gd   is  no t  desira ble,  beca us e  this   cou l d  ca us e  a   su bst antia l  del ay   on   the   I ds   t o  rise  du rin g  on - sta te   co ndit ion   a nd  to   fall   duri ng  the  off - sta te   conditi on.  Ano ther  esse ntial   f eat ur e  to   te st  RF  outp ut  is  the   gate - to - gate  c apacit ance   (C gg ).   C gg   is  al so   known   as a  par asi ti c ga te  capacit ance   us e d   t o  cal cul at e  the  intri ns i c g at e   delay  ( τ i nt ) .   The  plo t   f or  C gg   as  a  V gs   f unct ion   with  a  c on sta nt  V ds   =0 . 5  V   f or   m ulti ple  WF   ra ng es   is  show n  i n  Figure  9 .   T he  C gg   of   n - JLS D GM  rises  by  about  37%,  wit h  the W F  re du ced  to  4.6  eV  f ro m   4. 8  eV.   T he  lowest   C gg   has  been  de m on strat ed   by  the d evice  with  WF =4.8 eV ,  m easur ed  at  1 . 98  fF/ µm .   Thu s,  lowe r  WF   can g iv e   a  bette r  co ntrol  of   the  cha nn el   dep le ti on   a r ea  in  the  ultra - thin  fu ll y  depl et ed  body,  subse qu e ntly   reducin g  SCEs a nd p a ra sit ic  capacit ances .    A  substanti al   decr ease  i n  C gg   would  res ult   in  m uch   le ss  intrinsic  dela y  at   the  gate  and   dynam ic   powe r  dissipat ion .   F or  deter m ining   f reque ncy  lim i ts  of   JLSDGM,  the   intrinsic   gate   delay   (τint)   is  ver y   i m po rtant   t o  be   co ns ide re d .   T he  τ int   in   JL SDGM dev ic e  is   s ign ific a ntly   relat ed  to   the  m agn it ude   of  C gg   and   I ds ,   m at he m at ic a lly def i ned as:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   23 , N o.   1 ,  Ju ly   20 21 :  1 5 0   -   1 6 1   156        wh e re  τ int   is  th e  intrinsic  gat e  delay   an d  V DD   is  the  sup pl y  dr ai n  volt ag e.  Plot   f or   τ int   as  a  V ds   f un ct i on  at  const ant  V gs   =  0.5V f or m ultip le   WF   ra ng es   is represe nted  i n  Fi gure  1 0 .     Figure  11   in dicat es  a  s m all  i m pr ov em ent  in  P dyn   by  aro un d  7%  as  the  WF   decr eases  from   4. 8  eV  to  4.6  eV.   T hus,  it   can  be  sai d  th at   the  WF   var ia ti on   does  not  gr eat ly   aff ect   the  powe r  dissi pation  of   the  de vice .   The  dev ic e  with  WF = 4.8  eV ,  m easur ed  at   1.78   nW / μm ,  shows  t he  lo west   P dyn .  Def i niti vely ,  lower   C gg   would  m ini m iz e  the  P d y n   of   the  de vice.  Re m ark able  n - J LSDGM’ s  f eat ur es   su c h  a s   ultrat hi n  a nd  f ully   de pl et ed  body   would  m ini m i ze  the  par asi ti c  capaci ta nces   between   reg i ons.  H ence ,  it   i s  cru ci al   to  en su re  the  m agn i tud e  of  C gg   as  well   as   P dyn   to  be  a s  lo w  as   possi ble  i n  m ai ntaining  an  i deal  te m per at ur e   f or  the   RF  ci rcu it s  [3 6] .  An y  sign ific a nt r ise  in  te m per at ur e  could  deteri orat e the device   perform ance eit her  i n on - sta te  or  off - sta te .             Figure  8 .  Com bin e d plot  of  C gs   and  C gd   as a  functi on  of   V gs     Figure  9 .  Plot  of  C gg   as a  fun ct ion   of  V gs             Figure  1 0 . Pl ot  of  int   as a  func ti on   of V ds     Figure  1 1 . Pl ot  of  P dyn   as a  fu nction o f  V ds       The  τ int   of   the  n - J LSDGM   is  consi der a bly  lowe re d,   with  the  re duct ion   of  WF   from   4. 8  eV  to  4.6  e V ,   by  ar ound  89 % .   T he   l ow est   τ int   is   s how n   by   the   de vice  w it h  WF = 4.6   eV   m easur ed   at   4.8   ps .   Alth ou gh  the  dev ic e  with  WF =4.6  eV  has  the  highest  C gg ,   it   st il l  exh ibit s   the  lowest  pro pag at io n  delay .  Su c h  occ urre nce  is  m ai nly  du e  to   the  sho rter  pa th  of  el ect ron  fl ow s   bet we en  s ource  a nd  dr ai n  re gion  wh ic h  is  dom i nan tl y   gove rn e d  by  the  WF .  A s  th e  WF   is  red uc ed,   the  el ect r on   densi ty   inside  the  strai ne d  cha nn el   w ould  be   sign i fica ntly   in creased ,  e ven t ually   con t rib uting   t o  m uch   hig he r  I ds .  Be sid es  that,  t he  im pact  of  WF   va riat io n  on  C gg   is pr et ty  w ea k,  th us   a ny   WF   a djust m e nts   do   not   hav e   an   im po rta nt   e ff ect   on   the  τ int .  For this  reas on, t he  I ds   is re garde d as a  do m inant  con t ro l  facto r  t o decide t he   τ int  for n - JL SDG M de vice.   ds DD gg I V C i n t Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c En g  &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Work  f un ct io n variati ons  on e le ct ro stati c an d  RF  p e rfor mances  of JL SDG M D evi ce   ( K K . E. Ka harudin )   157   In  tra ns ie nt  a na ly sis ,   the  dynam ic   power  di ssipati on  ( P d y n )  is  al so  a n  inte gr al   featu re  of  the  AC .  As   the  fr e qu e ncy  ( f)   is  co ntinuo usl y  delivere d  at   1  MHz,  C gg   has  a  crit ic al   ro le  to  play   in  evaluati ng   th e  P dyn .   The   dynam ic  p ow e r dissi patio n  ( P d y n )  is  m at he m a ti cal ly  ex pr ess ed  as:          wh e re  f   is  the  op e rati ng  f requen cy   a nd  P dyn   is  the  dy nam i c  powe r  dissi pa ti on .  Pl ot  P dyn   as  the   V ds   f un ct ion   at   const ant  V gs =0 . 5V for  m ulti pl e  WF   ranges   is  shown i n  Fi gu re  13.     A  sig nificant  char act e risti c  i n  the  analy sis   of   RF  outp ut  of   the  n - JLS DG M  de vice   is  the  cut - off  fr e qu e ncy ( f T ).   It is d efi ne d  as  the freque ncy o f  tra ns it io n  at   wh ic h  the sm al l si gn al  c urr ent  g ai ns  i nto   unit y.   In  oth e r word s,  f T   is t he  f re qu e nc y wh e n  t he  c urren t  gain  is uni ty  w hich  can  be m easur ed by:          The  plo t  of  f T   as  a  functi on  of  V gs   at   con sta nt  V ds =0 . 5  V  for  t he  m ulti ple  WF   ranges   is  represente d  i n  Figure  1 2 .   Th e  highest   f T   is  obser ve d  to   be  23 6  G Hz ,  dem on strat e d  by  the  n - J LSDGM  de vi ce  with    WF =4.8  eV .  As  the  WF   drop   f r om   4. 8  eV  to  4.6   eV,   the  f T   is   decr e ased  by  r ough ly   24 %.   This  cl early  ind ic at es  that  t he  f T   is  sign ifi cantl y  governe d  by  the   val ue  of   t he  intri ns ic   capaci ta nces  ( C gs   &  C gd ).   A  lowe r  value  of  intri nsi c  capaci ta nces   is  al ways  desi red  to  ge ner at e   m uch   highe r  f T ,  especial ly   f or  high  f re qu e nc y  RF   CM OS   desi gns.  It  is  al so   s how n  that  the  f T   of   n - JL SDG M  dev ic e  is  in ver sel y  pr oport ion al   with  th e   g m   in  wh ic h  the  m axi m u m   f T   is  m e asur e d  at   m ini m u m   g m   value.   The  f T   is  sh own  t o  be  s ubst antia ll y  decr eased  f or   al l  WF   ra ng es   wh e n  t he gate   bias e xceed i ng 0 . 8V.               Figure  1 2 . Pl ot  of  f T   as a  f un ct ion   of  V gs     Figure  13.  Plot  of  f max   as a  fun ct ion   of  V gs       The  f T   is   de fini te ly   an  exc el le nt  in dicat or  f or   low - c urren t   f orwa rd  tra ns it   ti m e.  H ow e ver,   t he  im pact   of   gate  resist ance  (R g ),   t hat  is   cr ucial   to  est i m at e  the  trans ie nt  res pons e  of  the  n - JLS D G M  dev ic e ,  is  e ntirel y  disre garde d  f or  the   pe rfor m ance  in dicat or .   T her e fore,   a n  in dicat or,  know n  as   the  m axi m u m   os ci ll at ion   fr e qu e ncy   (f m ax ) ,  w hich  ta ke s  R g   into  acco un t  is  pro pose d .   T he  f max   is  the  fr e quency  wh e re  the  unil at eral  acqu isi ti on  of  powe r  beco m es  unit y.   I n  othe r  words,  it   is  the  hi ghest   f re qu e ncy  from   wh ic h  the   pow er  gain  can  be dra w n   out o f  t he  tra ns i stor. T he  f max   f or the  n - JLS D GM d e vice ca n be m at hem a ti c al ly  calc ulate d  by:        wh e re ,        f V C P DD d y n 2 i n t ) ( 2 gd gs m T C C g f gd g T C R f f 8 m a x ) ( 2 1 gd gs T g C C f R Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   23 , N o.   1 ,  Ju ly   20 21 :  1 5 0   -   1 6 1   158   The  pl ot  of   f max   as  a  V gs   fu nction  with  c on st ant  V ds =0.5  V  for  the  m ult iple  WF  ran ge s   is  sh ow n  in   Figure  1 3 .   Th e   f max   is  decr eas ed  by  a bout  43 %  with  the  WF   lowe red   from   4.8  eV  t o  4.6  e V .  T he  n - JL S DG M  dev ic e   with  WF =4.8  eV ,  m e asur ed   at   3294   GH z,  s hows  t he  m axi m u m   f max .   Du e  to  th e  WF   var ia tion ,  the  value  of   f max  is  m ai nly  go ve r ned   by  the  R g   value.   The  i nc reased  WF   w ould  re duce  pa r asi ti c  capaci tan ces  of  the  de vice,  th us  increasi ng   t he   f T .  As  a  res ul t ,  R g   is  further   decr ease d  with   f T   con ti nuin g  to  rise ,   subse quently   increasin g  t he  m axi m u m   os ci ll at ion   fr e quen cy   of   the  de vice.  W it h  s uc h  rem ark able  f T   and   f max   pro pe rtie s,    n - J LSDGM  ca n  be  u ti li zed   a s  the  fu t ur e   lo w - powe r  high  fr e qu e ncy  tra nsi stor  c onfig ur at ion .  For  a   JL SDGM  dev ic e   with  m u lt iple  WF   ra nges,  the  e xtrac te d  an d  est i m at ed  m agn it ud e  of   C gs ,  C gd ,  C gg ,  τ int ,  P dyn ,  fT   a nd   f max   are li ste d  i n  Ta ble 3.       Table  3.  RF   pe rfor m ances  f or n - JLS DG M   de vice f or d i ff e r ent  WF   WF   (eV )   C gs   (f F/µ m )   C gd   (f F/µ m )   C gg   (f F/µ m )   τ in t   (ps )   P d y n   (n W /µ m )   f T   ( GHz)   f m a x   (G Hz)   4 .6   1 .15   2   3 .15   4 .8   1 .92   180   1890   4 .7   1 .16   1 .03   2 .19   9 .9   1 .87   233   3007   4 .8   1 .12   0 .87   1 .98   4 5 .7   1 .78   236   3294       The  f T /L g   rati o   of   the  JLS D G M  dev ic e   hav e   been   com par e d  to  diff e re nt  structu res  of  transisto r  from   recent   st ud ie s   as  sho wn  in   T able  4.  Si nce  s om e  of   the  t ra ns ist or  str uctu r es  ha ve  util iz ed  var i ou s   gate  le ng th   (L g ) ,   the   com par at ive  perf orm ance  of  f T   ha s  to  be   do ne  ba sed  on  f T /L g   r at io .  Ba se d  on  Table  4,  it   is  obser ve d  that  JLSDGM   dev ic e  ha s  de m on strat ed  the   hig he st  f T /L g   r at io   co m par ed  to  oth e rs.   T he  f T /L g   rati o  of   JL SDGM   dev ic e   is  est im at ed  at   39 .3  wh il e  m od erate  do pe d  dr ai n  du al - c ha nn el   sing le   gate  ju nctionless   fiel d - e ff ec t   transisto r  (MD D - DCJLT ),   he avy   dope d  dr a in  du al - c ha nne l  sing le   gate  jun ct io nless   fie ld - ef fect  tra ns i stor  ( H DD - DCJLT ) ,  unde rlap  c om po sit e  chan ne l  double   gate   MOSFE T   (C CDGM)   an d  ov e rlap  CC D GM   are   est i m at ed  at  2 0.7, 2 8.4, 3 0.8 a nd 23.4  res pecti vely   [28 ] ,   [ 37]   .        Table  4 .  C om par at ive   perfor m ance   of  f T   f or  dif fer e n t t ra nsi stor  str uctu res   Para m eter   JLSDG M  (T h is wo rk)   MDD - DCJ L T  [ 2 8 ]   HDD - DCJ LT   [ 2 8 ]   Un d erlap  CC DGM  [ 3 7 ]   Ov erlap  CC DGM  [ 3 7 ]   Gate Len g th ,  L g   (n m )   6   20   20   12   12   f T   (GHz )   236   413   568   369   281   f T /L g   ratio   3 9 .3   2 0 .7   2 8 .4   3 0 .8   2 3 .4       Ba sed  on  the  ov e rall   resu lt s,   WF   var ia ti on   is  ver y  sensiti ve  to  the  outp ut  of   n - JL SDGM  de vice   in  el ect ro sta ti c  and   RF  te rm s .  So m e  of   the   inv est igate d   pro per ti es   ind i cat e  incoh e rence   du e  to  sli ght   WF   al te rati on .   WF   var ia tion   is  not  the  only   facto r  infl uen ci ng   r andom   ou tp ut   fluctuati ons .  O ther  in put  par a m et ers   su c h  as  cha nnel   do pi ng,  source/ dr ai n  dopi ng ,  high - k  di el ect ric  con sta nt   and   body  thick ness   s houl d  be   inc lud e d  f or   de ta il ed  analy sis   [38 ] - [ 41] .   I n view  of  t he  ef fec t of   oth e r   in put  p aram et ers   be sides  work f unct ion ,  sta ti sti cal - based   an d  AI - bas e d  opti m iz at ion   appr o aches  [42 ] - [ 44]   will   be  app li ed   i n  the   fu t ur e  wor k  in  ord er   to r e duce   the  outp ut v a riance   that   m a y fu rt he r  im pr ov e s   the   dev ic e' s elec tr os ta ti c an d  RF  perform ance s .       4.   CONCL US I O N     In  su m m ary,  the  im pact   of  work  f unct io n  va riat ion s   up on  el ect rosta ti c  an d  R F  perf or m ance  of    n - c ha nn el   j un ct ion le ss  strai ned   D G - M OSFET  ( n - J LS D GM)  has  bee n  com pr e hen s ively   stud ie d  us in g  industrial   ba se d  2 - D  process ( Sil vac o  At he na )  an d  de vice  s i m ulator  (S il va co  Atla s).   T he  char a ct e risti cs  of   t he   dev ic e  use d  in   m easur ing   el e ct ro sta ti c  and   RF  perform ances  are  thoro ughly  inv e sti gated,   incl ud i ng   on - sta te   current,   off - sta te   current,   on - off  rati o,   s ubth reshold   swi ng,   intrinsic  gate  delay ,  dy nam i c  powe r  dissip at ion ,  intrinsic  ca pac it anc es,  c ut - off   fr e quency  an d  m axi m u m   os ci ll at ion   fr e quency.   T he  fin al   resu lt s  s ugge st  the   35%  rise  in  sta te - curre nt  (I ON )  w he n  the  W F  dro pped  fro m   4. 8  e V  to  4.6  eV .  F ro m   the  per s pecti ve  of   rad i o  fr e qu e ncy  (RF )  pe rfor m ance,   the  cut - off  frequ e ncy  ( f T )  a nd   os ci l la ti on   fr e qu e ncy  ( f m a x )  of  the  n - JL SDG M   dev ic e   dec reas e  by  ~ 24%,  a nd  ~ 43 %   re sp ec ti vely ,  with  t he   W F   re duce d  from   4. 8  eV   to   4.6   eV .  T he  overall   resu lt s  of  the   s tud y  pro ve  th a t  the  var ia ti on  in  m et al   wo r k  functi on  has  c on t rib uted  sig ni ficant  in flue nc es  on  th e  ov e rall   n - J LSDGM’s  perf or m ances.  The   JLSDGM  de vi ce  dem on strat es  ou tst an ding  el ect rical   pr op erti es,  su c h  as  a  high  on - t he - sta te   current,  high  t ran sc onduct an ce,  a  lowe r  con s um ption   of   power,  hi gh   cut - off   fr e qu e ncy  whic h  can   be  r egarde d  as  a   pote ntial   MOSFE T  str uct ur e  f or   fu t ure  high - fr e que ncy  RF   app li cat io ns .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c En g  &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Work  f un ct io n variati ons  on e le ct ro stati c an d  RF  p e rfor mances  of JL SDG M D evi ce   ( K K . E. Ka harudin )   159   ACKN OWLE DGE MENTS     The  a uthor s  w ou l d  li ke  t o  tha nk  the  Mi nistr y  of  H ig he r  E ducat ion  (M OHE)  f or  s ponsori ng  this w or k  unde r  proj ect   ( FRGS/1/ 2017/ TK 04 /F KE KK - Ce TRI/F 0033 5)  an d  Mi N E,  Ce TRI,  Fac ult y  of  Ele ct r onic s  an d  Com pu te r  En gi neer in g  (FKE KK),  U niv er sit i  Tekn ik al   Ma la ysi a  Me la ka  (UTeM )  for   the  m or al   suppo rt  thr oughout t he   pro j ect .       REFERE NCE S     [1]   D.  A.  J.  Mil la r,  X.  Li,  U.  Pera lagu,  and  M.  J .   St ee r,  “ High  As pec t  Ra ti o  Junct io nle ss   InGaAs   FinF ET s  Fabric a ted   Us ing  a  Top - Do wn  Approac h, ”  2018  76th  Dev ic e  Re search  Co nfe renc e  ( DRC ) ,   no.   Septe m ber ,   pp.   1 – 2,   2018 ,    doi:   10 . 1109/DR C. 2018. 8442150 .   [2]   S.  C.   W aga j,   S.  Pati l,   and  Y.  V.  Chava n,   “ Perfor m anc e  ana l y sis  of  sh ie lde d  cha n nel   double - g at e  junc ti on le ss   and  junc ti on   MO S  tra nsistor, ”  Int e rnational   Journ al  of  E lectroni cs  Lett ers ,   vo l.  6,   no.   4 ,   pp .   192 – 203,   201 8 ,    doi:   10 . 1080/21 681724. 2017. 13 35785 .   [3]   F.  Khorram rouz ,   S.  A.   S.  Z iabari ,   and  A.   He y d ari,  “ Anal y s is  and  s tud y   of   geometrica l   va ria bilit y   on   t h e   per form anc e  of  j unct ionless   tunne li ng  fi el d  eff ect   tra nsistors:  Advanta g e  or  def i ci e nc y? , ”  Inte rnat i onal  Journal  of   Nano  Dimension ,   vol .   9 ,   no .   3 ,   pp .   260 – 272 ,   2018 .   [4]   J.  P.  Col inge,  C.   W .   Lee,  A.  Afza lian,   and   N.  D .   Akhava n ,   “ Nanowire   tra ns istors  without  j unct ions, ”  Natu re   Nanote chnol og y ,   vol. 5, no. 3, pp. 225 – 229,   2010 ,  doi:   10 . 1038/nnano.2010. 15 .   [5]   K.  E.   Kaha rudin ,   F.  Sale hudd in,   A.  S.  M.  Za in ,   a nd  A.  F.  Roslan,  “ Eff ec t  of  Chan nel   Le n gth  Vari at ion  on  Analo g   and   RF   Perform anc e  of  Junct ionl ess  Double  Gate   Vert ic a l  MO S FET, ”  Jou rnal  of  Engi ne e ring  Sci en ce   an d   Technol ogy ,   vo l. 14, no. 4, pp. 24 10 – 2430,   2019 .   [6]   D.  H.  Son,   Y.  J o,   J.   H.  Seo ,   and   C.   H .   W on,   “ L ow  volt ag e  op er at ion   of  GaN  v e rti c al   n anowir e   MO S FET, ”   Solid - Stat e   Elec troni cs ,   vol .   145 ,   pp .   1 – 7,   2018 ,  doi :   10 . 1016/j . ss e. 2018 . 03. 001 .   [7]   S.  R.   Mulm ane,  S.  C.   W agaj,   an d  N.  U.  Chaudh ari ,   “ Sim ula ti on  of  Nanosca l e  Full y   Depl eted  EJ -   SO I  Juncti onle s s  MO S FET  for  High  Perform ance, ”  In te rnationa l  Journal  of  In dustrial   El e ct ro nic s  and  Elec tri cal   Engi n ee ring ,    vol.   4 ,   no .   6 ,   pp .   34 – 37,   2016 .   [8]   M.  A.  Ri y a di ,   I .   D.  Sukawati,  T.  Prakoso,  and  D a rja t ,   “ Influe n ce  of  gate  m ateri a l  and  proc ess  on  j unct ionless   FET  subthreshold  pe rform anc e,”  In t ernati onal  Jour nal  of   Elec tri c al  a nd  Comput er  Engi n ee ring ,   vol.  6,   no.   2,     pp.   895 – 900 ,   20 16 ,  doi :   10 . 1159 1/i jece . v6i2 . 407 .   [9]   S .   A r c h a n a ,   G .   V a l l a t h a n ,   a n d   M .   A .   K u m a r ,   “ A n a l yt i c a l   M o d e l i n g   o f   D u a l   M a t e r i a l   J u n c t i o n l e s s   S u r r o u n d i n g   G a t e   M O S F E T , ”   S S R G   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r o n i c s   a n d   C o m m u n i c a t i o n   E n g i n e e r i n g ,   v o l .   4 ,   n o .   3 ,   p p .   4 0 – 4 3 ,   2017.   [10]   R.   Am bika   and   R.   Srin iva san ,   “ Im pac t  of  stru ct ura l  pro ce ss   v ari a ti on  on   jun c ti onle ss   sil ic on   nanot ube   FET , ”  Adv anc es  in  Natural  Sci en c es:  Nanoscie nc e  and  Nanotechnology ,   vol.  9,   no.   3,   pp.   1 – 7,   2018 ,    doi:   10 . 1088/20 43 - 6254/a ad c33 .   [11]   K.  E.   Kaha rudin ,   A.  F.  Roslan,   F.  Sale huddin,   Z .   A.  F.  M.  Napia h,   and  A.  S.  M.  Za in ,   “ Design  C onsidera t ion  and  Im pac t  of  Gate   Le ngth  Var ia t io n  on  Juncti onle s s  Strai ned  Doubl e  Gate   MO SF ET , ”  Int ernati onal  Jour nal  of  Rece nt   Technol ogy   and  Engi ne ering ,   vol .   8 ,   no .   2S6,   pp.   783 – 791,   2019 ,  doi:   10 . 35940/ijr te . 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