TELKOM NIKA , Vol.14, No .4, Dece mbe r  2016, pp. 12 13~121 6   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i4.4788    1213      Re cei v ed Se ptem ber 11, 2016; Revi se d Octob e r 26,  2016; Accept ed No vem b e r  10, 2016   Editorial      Numerical Investigation of a New Junctionless  Phototransistor for High-performance and Ulta-low  Power Infrared Communication Applications      H. Ferha t i 1 , F. Djeffal* 2 , T. Ben t ercia 3   1,3 LEA, Department of Electro n ics, Univ er sit y  of Batna 2, Batna 050 00, Alg e ria   2 LEPCM, Univ ersit y  of Batn a 1, Batna 05 00 0 ,  Algeria   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  fay c al.d jeffal @ univ- batn a2. dz, fa y c a l dzdz @hotmai l .com       A b st r a ct  In this  pa per,  a n e w  ju nction l e ss o p tical  co n t rolle d fie l d  effect transistor  ( J L-OCF E T )  is  prop osed   to i m prov e th e  devic e  perfor m a n ce  as w e l l  as ac hi ev in g l o w  pow er co n s umptio n.   An overa ll optica l  and   electric al  perfo rma n ces  co mp ariso n  of  the  p r opos ed  ju ncti onl ess d e si gn   and  the  co nve n tion al  inv e rsi o n   mo de structur e  (IM-OCF ET ) h a s be en d e ve lo ped  nu mer i ca l l y , to assess the optic al  mo dul ation  beh avi o r of   the OCF E T  fo r low  p o w e r o p tical  interc on nectio n s  app li cations. It  is f oun d th at, the  pro pos ed  des ig n   de mo nstrates excell ent  c apa bility in decre asin g  th e  ph o t otransistor  po w e r consu m pti on for  inter-c h i p   optica l  co mmu nicati on  ap plic ation. M o re ove r , the  prop ose d  d e vice  offers  sup e rior  se nsi t ivity an d I ON /I OFF   ratio, i n  a d d i tio n  to  low e r si gn al to  no ise  rati o as  co mp are d  to the  co nvent ion a l IM-OCF E T  structure. T h e  obtai ne d result s indic a te the  crucial r o le  of the j uncti on les s  (JL) desig n i n  enh anc ing th e phot otransist o r   perfor m a n ce a nd re duci ng th e total p o w e r di ssipati on.  Such  a very sens itiv e OCF E T  can be very  pro m isi n g   in th e futur e  l o w  pow er optic a l  rec e iver  less   compati b le to  CMOS modern techno lo gy for  hi gh-q u a lity i n ter- chips d a ta co mmu n ic ation a p p licatio ns .    Ke y w ords :  Ju nction less, OCFET, Sensitivity, CMOS, Po wer consu m ptio n.    Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       In the long -haul tele com m unication  system, the huge p o wer con s um ptio n by the  traditional tra n smi ssi on  wires i s  an im portant  limita t ion whi c h d egra d e s  the  comm uni cati on  system  pe rformance in  terms of   co st  an d po we r di ssi pation [1 -2].  Ho wever,  opti c al i n tercon n e cts  are con s ide r ed as a go o d  solution to  remedy the probl em s faced by electri c  wires a nd can   refashion the inter-c h ip data c o mmunications   s y ste m s [2-4]. The  quality of optical re ceivers in   optical   wi rel e ss comm u n icatio n syst ems ( OWCS ) greatly  determi ne s t he total  po wer   con s um ption in  these syst ems, whe r e  it   is cru c ia l to   develop  re cei v ers’  with fa ster an d effici ent  respon se. In  this context, several pu blish ed  works de al with  nume r ou s o p tical  receivers’   stru ctures  b a se d on S c hottky ba rrie r  photo d iod e ,   MSM  phot odete c tors a nd  FET -based   phototra nsi s t o r [5-8]. Thi s  latter is consi dered a s  the most common devi c e due to the  oppo rtunity f o r  avoiding   the hig h  d e n sity of  the  optical  circuits n a mely  Tran s-Im ped ance  Amplifier ( TI A ) and the li miting amplifi e rs u s e d  in reado ut circuit .  These am pl ifiers con s titute  a   seri ou s impe diment in hi g h -pe r forman ce com m uni cation compat ible with  CM OS  tec h nology.   Previou s ly, different scienti f ic ende avors have ori g ina t ed the  OCF E T  with  IV  group mate rial  or  germ anium ( Ge )  se nsitive  gate [7-10]. The o perating  me cha n ism of this d e v ice d w ell s   on  exploiting th e  photo - g ene rated  ca rrie r s  to mod u late  t he b and  be n d ing i n  the  transi s tor,  an d  thus  cha nge s th e  output  current. Ho weve r, the  Ge -ba s ed  O C FET  ope ratin g  a t  an  app rop r iate  wavele ngth o f  ( λ =1. 5 5 μ m ), seem s to be  prefe r able f o r infrare d  co mmuni cation  due to the lo w  optical   ban d gap and  th e high ca rrie r  mobility  offered  by  the   Ge  semi co ndu ct or.  B e side s,  t he  excellent compatibility of the  Ge  material to be gro w ing o n  Si platform lead s  to an ultra-hi gh  sensing perf ormance,  large bandwidt h and effici ent co mpatibility with state-of-art  CMOS   techn o logy [1 1-12].  Nevert hele ss, the   Ge - ba se d  OC FET  has con s tantly well-kn o w n o p tical  an d  electri c al  con c erns nam ely the lo w sen s itivity,  high fabri c ation  co st and  po we r con s u m ption .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 4, Dece mb er 201 6 :  1213 – 121 6   1214 These pe rsi s tent probl em s adve r sely affect the  de vice optical a nd ele c tri c al  perfo rman ce  for  chip -level i n frared  opti c al  communi catio n . He nce, it  is of g r eat  sig n i f ican ce to  p r o pose lo we r  cost  desi g n s , enh ance the ele c tri c al beh avior of the con v entional  Ge - based  OCFET  and make it  con s um es le ss p o wer. F o r a c hieving  this obje c tive , the  JL  desi gn ca n be consi dered a s  a  para m ou nt solution for  re achi ng the  d e sired im pro v ement in fa brication p r o c e ss  co st. In this  frame w ork, the main adv antage offered by this  desig n re side s prin cip a lly on avoiding  the  formation  of  the source/d rain regio n s ( n ++ ) an d he n c e th e e s tabl ishme n t of ju nction s  whi c h  seem s to be  an intra c tab l e task. Sev e ral exp e rim ental studi es have co nfirmed the lo w-co st   fabrication  of  the  JL   stru ctu r e i n   com pari s on  with  the   conve n tional   IM  de sign,  where  u n iform   n - type cha nnel  dopin g  is  suff icient to  con d u ct the tr an si stor [1 3-1 6 ]. In this p ape r,  we p r op ose a   new  JL-OC F ET  to en han ce th e d e vice  pe rform ance  and  a c hieve  low po we r  consumption.  We   perfo rm al so  an ove r all o p tical a nd el ectri c al  perfo rman ce s  co mpari s o n  of  the propo sed   JL   desi gn an d the conve n tion al one.   The propo se d junctionl ess de sign is built  princi pally on the supp re ssi on  of the   sou r ce/drain regio n s and adoptin g  unif o rm  n -type chann el dopi n g . In orde r to obtain an ini t ial  band  ben ding , we a s sume  the  Ge   gate i n  ou r propo sed  JL-OC F E T  with  p -type  dopin g . To t h is  extent, Figure 1  sh ows th e cro s s- se ctional vie w   of the p r op os ed j unctio n le ss d e sig n , where  N Ge   and  N Si  are t he  Ge   gate a nd the  Si  cha nnel d oping  concentratio n , respe c tively,  L  r e pr es en ts   th e  cha nnel len g t h  and  t Ge   refers to the ge rmanium thi c kness.           Figure 1. Cro ss  se ctional v i ew of t he pro posed JL-O CFET phototra nsi s tor.       For ou r nu m e rical inve stigation, we  u s e Atlas 2 - D simulato r [1 6], to develop the   nume r ical m odel  of the p r opo se d d e si gn that  i s   m o re accu rate and allows e v aluating  the   JL - OCFET  el ect r ical  beh avio r for the o p tical  commu ni cation  appli c ation. The p hoto-g ene rat ed  c u rrent in the  Ge  gate  is cal c ul ated  u s ing  the  sol u tion  of Poi sson’s eq uatio n an d  contin uity  equatio ns. T o  descri be th e carrie r re co mbination m e cha n ism, Fe rmi model an d recombi nati o n   model s (Sh o ckl ey–Read– Hall ( SR H ), Auger a nd  surface re co m b i nation )  are  also in clu d ed.  Furthe rmo r e,  due to the hig h  level dopin g  in the  juncti onle ss d e si gn , the carri er  mobility is taken  depe ndent o n  the doping  concentratio n .   The pri n ci pal  aspe ct of the  OCFET  i s   the optical m odulatio n be havior of the  output  curre n t usin g  different inci dent po wer  with an app rop r iate wavel e n g th value. He nce, in o r de r to  evaluate the  proposed design  regarding this  aspect , we illustrat e  in Figure  2( a ) the trans f er  cha r a c teri stics of t he  pro p o se d  JL- O CF E T   with  different in cide nt p o we r fo r a  fixed g a te volta ge  value of ( V gs =- 1V ).   It is clea rly o b se rved from  this figure, the  simpl e  an d  the goo d op e r ating b ehavi o r of the  JL  d e si gn, where  by in creasi ng the  o p tical p o wer,  we  can  ch a nge the  ban d-be ndin g  in  the  cha nnel  and   hen ce in crea se th e d r ain  curre n t. This  phen omen on  is d epi cted  clea rly in Fi g u re  2(b ) , whe r e  we ob se rve the loga rithmi c dep ende ncy between th e drain  curre n t and the incide nt  optical  po wer confi r ming  th e excell ent o peratio n  of th e propo se d d e sig n . We  ca n also n o tice  the  low d a rk current value  of ( I off =8× 1 0 -13 A ) obtain ed  by adoptin g  the  JL  de sig n ,  whi c h can   be   attributed to t he do ping lev e l of the chan nel in a dditio n  to the fully depletio n mo de of the d e vice   with  V gs =-1V .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Num e ri cal Investigatio n of a Ne w Ju ncti onle ss Photot ran s isto r for… (H. Fe rhati )   1215 0 , 0 0,5 1 , 0 1,5 2 , 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18     Dr ai n  Cu r r e n t [ A] Dr ai n  V o l t ag e  [V]  10   W  1  W  10 0 n W  10  nW  1 n W  Da r k 1 E - 1 0 1 E - 9 1 E- 8 1 E- 7 1 E- 6 1 E- 5 1 E - 4 0 5 10 15 20     Cu r r e n t [ A] Optic a l Pow e r [ W ]   (a)  (b)   Figure  2.   ( a )  I–V  characte ristics of the propo se d  JL O C -FE T  fo r different opti c al  powers, with  N Si  = 1×10 18   cm − 3 , N Ge  = 1×10 18  cm − 3 ,  V gs  = -1V  and  L=1 80nm . ( b ) Drain  cu rre nt as a functio n  of  the optical p o w er  with  V gs  = -1V  an d  V ds  = 0.5V       In orde r to elucid ate the perform an ce i m provem ent of the propo sed  JL  de sig n  over the  conve n tional  IM-OCFET , it is important  to compa r e t he ele c trical perfo rman ce  provide d  by both   device s . Fo r  this pu rp ose, Table  1  su mmari ze s th e overall ele c tri c al a nd o p tical p e rfo r mance   comp ari s o n  b e twee n both   IM  and  JL O C FET  d e si gn s. From thi s  table,  it is de monst r ated t hat  the device figure s   of merit ( FoM s )  re gardi ng the   power  con s u m ption a r e g r eatly imp r ov ed   comp ared to the conve n tional cou n terpa r t. Moreove r , the prop osed   JL  desi gn ex hibits supe rio r   sen s itivity, which  ma ke s it valuable f o r  low  co st   an d low  p o wer co nsum ption re ceiver  for hig h - perfo rman ce chip -level  infrared comm un ication  a pplications.       Table1. Com pari s on  sum m ary betwee n   IM  and  JL OCFET  de s i gn s  Sy mbo l   Con v e n ti onal I M -OC F ET desi g n     Propose d   J L - O CFET desig n    Desig n  v a riabl e s:       Wavelength  λ  (n m)   1550   1550   Drain voltage  V ds (V)   0.5  0.5  Gate voltage  V g s (V)   0.5  -1   Ge  doping conce n tration  (c m - 3 )   P t y pe 1×10 18   N t y pe  1×10 17   Si  doping concentration  (c m - 3 )   N t y pe  1×10 18   P t y pe 5×10 16   Channel length  L( nm )   180  180  Si  thicknes s   t Ge (nm)   120  120  Incident po w e r  P (µ W )   Performa nce pa rameters :  10  10  OF F c u rre nt  (I OF F ) (nA)   4  8×10 - 4   ON- O FF Cu rre nt  Ratio  (I ON /I OF F )   (d B)   65  396  Sensitiv ity   (S)    1258   1.25×10 6   Signal to Noise ratio  (SN)   13  12×10 3       Referen ces   [1]  A Krishn amo o r th y ,  H Sc h w etman,  X Z h e ng, R H o . En erg y -Efficie n t Photon ics i n   F u ture Hi gh- Con nectivit y  C o mputi ng S y stems.  Journa l Of Lightw a ve T e chno logy.  2 015 ; 33(4): 889-9 0 0 .  [2]  N Kann an, MJ Kumar. T e chnolo g y   an d reli a b ilit y co nstrain ed future co pp er interco n n e cts.  IEEE Trans.   Electron D e vic e s.  2002; 4 9 : 590-5 97.   [3]  S Manip a truni,  M Lipson, IA Youn g. Devic e  Sc alin g Cons i derati ons for N ano ph otonic C M OS Global   Interconnects.  IEEE Journal  o f  Selected Top i cs in Quantu m   Electron ics . 20 13; 19: 10 77-1 086.   [4]  DAB Mill er. Ph ysic al r easo n s  for optica l  i n tercon nectio n s.   Intl. Journal of Optoelectronics.  1997;  11:   155- 168.   [5]  JS Liu, C X  S han, BH  Li, Z Z  Z hang, CL  Yang,  DZ  Sh e n , XW  F an. H i gh r e spo n sivit y  u l travi o l e t   photo detector  realiz ed v i a a  carrier-trap p i n g  process.  Applied physics latters . 201 0; 97( 25): 25 110 2- 251 10 5.  [6]  UM Na yef a , KA Hu be ati r b, Z J  Abdu l k ar eem ba. U l t raviol et ph otodetector  bas ed o n  T i O 2   nan op articles/p orous si lico n  h e troju n ction.  Optik . 2016; 1 2 6 :  2806-2 8 1 0 .  [7]  L Colace, V Soria nel lo, S  Ra jama ni. Investi gatio n  of Stati c   an d D y n a mic  Ch aracteristic s of Optica l l y  Contro lle d F i el d Effect  T r ansistors.  Journal  of lightw a ve te chno logy.  2 014 ; 32: 2233- 223 9.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 4, Dece mb er 201 6 :  1213 – 121 6   1216 [8]  RW  Going, J Loo, T K  Liu, MC W u . Germanium g a te ph oto MOSFET  integrat e d  to Silic on ph oton ics.   IEEE J. Sel. To p. Quantu m  El ectron . 201 4;  20(4), 82 01 607 .  [9]  F Djeffal, H  Ferhati. A ne w   h i g h -perfor m ance p hotot ransistor d e si gn bas ed o n  both surface   texturiz atio n a nd gr ade d g a te do pin g  e ngi neer ing.  Jo urn a l of C o mputa t iona l el ectron i cs.  2016; 1 5 :   301- 310.   [10]  H  F e rhati, F  Djeffal. Role of  gr adu al g a te do p i ng e ngi ne erin g in  impr ovin g phototra nsistor  performanc e   for ultra-lo w   po w e r ap plic atio n s .  Journal of C o mputati o n a l el ectronics.  20 16 ; 15: 550-5 56.   [11]  L Co lac e , G A ssanto. Germa nium  on   Sil i co n for n ear-i nfra red l i g h t sens i ng.  IEEE Photonics J . 20 09;   1(2): 69-7 9 .   [12]    J Michel, J  Liu ,  LC Kimer lin g.  Hig h-perform a n ce Ge-o n-Si  p hotod etectors.  Nat. Photo n ics .  201 0; 4(8):  527- 534.   [13]  CW  Lee, A  Afzalia n, ND  Ak hava n , R Y an,  I F e rain ,  JP  Coli ng e. Juncti onl ess multi g a t e field- effect   transistor.  Appl . Phys. Lett . 2009; 94: 05 3-51 1. 2009.    [14]  JP Coli nge. Mu lt i-gate SOI MOSF ET s.  Solid-State Electron . 2004; 48( 6): 897-9 05.   [15]  JP Col i n ge, C W  Lee, A  Afzalia n, N D  Akh a van,  et al.  N ano w i re  transi s tors  w i th out j unctio n s.  N a t.  Nan o tech nol.  2 010; 5(3): 2 25- 229.   [16]  Atlas User’s m anu al. SILVAC O  T C AD. 2012 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.