單層及雙層二維過度金屬硫屬化合物之類比特性及應用於跨導運算放大器之研究與分析

Investigation of analog properties and OTA design using Monolayer and Bilayer Two-Dimension Transition Metal Dichalcogenide MOSFETs for Analog/Mixed-Signal Application

李泓毅(Hung-Yi Lee)

指導教授 ： 莊景德

國立交通大學/電機學院/電子工程系所/碩士(2017年)

摘要

本論文使用三維TCAD(Technology Computer Aided Design)混合模式模擬器進行模擬，針對新穎的超薄絕緣層異質三五族與鍺通道金氧半場效電晶體的可微縮性與二維過度金屬硫屬化合物(2-D transition-metal dichalcogenide)所構成之互補式金屬氧化物半導體(CMOS)之類比特性及用此元件構成之跨導運算放大器(Operational Transconductance Amplifier)性能提供完整的評估及分析，此外，探討隨機變異特性對於此元件構成跨導運算放大器的影像。
對於未來終極微縮互補式金屬氧化物半導體(CMOS)元件，由於其超薄的原子層級材料厚度，二維層狀過度金屬硫屬化合物材料已經成為具有潛力的候選材料之一。針對國際半導體技術發展路線圖2028年技術節點，本論文廣泛討論單層與雙層二維過度金屬硫屬化合物的金屬氧化物半導體類比特性。我們發現雙層金屬氧化物半導體比單層金屬氧化物半導體擁有更好的類比特性。
將此雙層金屬氧化物半導體及單層金屬氧化物半導體應用到跨導運算放大器(Operational Transconductance Amplifier)，在三個不同的偏壓下，探討頻率響應、暫態響應、共模拒斥比(CMRR)及電源抑制比(PSRR)。研究結果分析指出，單層金屬氧化物半導體所構成的跨導運算放大器，無論在哪個偏壓下，皆擁有較好的增益、共模拒斥比及電源抑制比。無論是單層金屬氧化物半導體還是雙層金屬氧化物半導體所構成的跨導運算放大器，在低偏壓的狀況下，擁有較好增益，在中/高偏壓下，則是擁有較好的共模拒斥比及電源抑制比。

關鍵字

變異度 ； 二維過度金屬硫屬化合物材料 ； 類比電路 ； 單層 ； 雙層

並列摘要

This thesis investigates the analog performance of the exploratory ultra-thin-body (UTB) III- V/Ge hetero-channel MOSFETs and the performance of 2-D transition-metal-dichalcogenide (TMD) and operational transconductance amplifier (OTA) composed of 2-D TMD MOSFETs. Furthermore, we also investigate the impact of WFV and LER for 2-D TMD OTA MOSFETs.
2-D layered TMD materials have emerged as promising channel materials for future ultimately-scaled CMOS devices due to the atomic-scale body thickness. We extensively evaluate the analog performance of monolayer and bilayer devices based on ITRS 2028 technology node. We indicate that bilayer devices have better analog performance than monolayer devices.
We design the OTAs for monolayer TMD devices and bilayer TMD devices. Two designs with monolayer TMD devices and bilayer TMD devices are evaluated under three different biased conditions. The results indicate monolayer TMD OTA provides better gain, CMRR and PSRR than bilayer TMD OTA for all cases. Monolayer TMD OTA and bilayer TMD OTA at low bias has better gain than that at high bias or at moderate bias. Monolayer TMD OTA and bilayer TMD OTA at high/moderate bias has better CMRR and PSRR than that at low bias.

並列關鍵字

Variability ； 2-D Transition-Metal-Dichalcogenide Materials ； Analog Circuits ； Monolayer ； Bilayer

參考文獻

Bibliography

References of Chapter 1

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