[論文レビュー] A New Compact Model For High-Performance Tunneling-Field Effect Transistors

Ramon B. Salazar, Hesameddin Ilatikhameneh+3 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2015

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、トンネルFET（TFET）のための新しい解析的コンパクトモデルを提示し、チャネルのポテンシャルプロファイルとバンドギャップ内の減衰状態をモデル化することで、楕円性効果を含めた全I-V特性を正確に捉える。フルバンド原子的シミュレーションと照合されたこのモデルにより、エネルギー依存のバンドギャップ間トンネル効果の精密分析が可能になり、スケーリングされたTFETにおけるソース/ドレインドーピングの重要な役割が明らかになった。

ABSTRACT

A new analytic compact model is presented which describes the full current-voltage (I-V) characteristic of ballistic high-performance (aggressively scaled-down) tunneling field-effect-transistors (TFETs) based on direct-bandgap semiconductors. The model is based on an analytic description of two key features, which capture the main physical phenomena related to TFETs: 1) the potential profile along the channel including the impact of doping concentration in the source, and 2) the evanescent states in the bandgap region of the semiconductor including the ellipticity of the imaginary branch. The analytic description of the potential profile is made using two different approaches. One of them is based on a piecewise function derived from the Poisson's equation in the source and channel, and the other is an ad-hoc potential that describes accurately the tunneling distance. The compact model is validated by comparison with state-of-the-art quantum transport simulations using a full band atomistic approach. Both approaches proposed to describe the potential profile are found in good agreement with the data from the simulations in all regions of operation: the on/off states and both n/p branches of conduction. It is shown that as TFETs are scaled-down the impact of source/drain doping on device performance becomes crucially relevant. In addition, it is shown how this model can be used to calculate the energy-dependent band-to-band tunneling (BTBT) currents in TFETs, a feature that allows gaining deep insights into the underlying device physics. The simplicity and accuracy of the model provides a powerful tool to explore in a quantitatively manner how a wide variety of parameters (material-, size- and/or geometry-dependent) impact the TFET performance under any bias conditions.

研究の動機と目的

• 急激にスケーリングされたTFETの全電流-電圧特性を正確に記述するコンパクトモデルの開発を目的とする。
• スブスレッショルドおよびオン状態領域におけるTFET性能に及ぼすソース/ドレインドーピングの影響を捉えることを目的とする。
• ポテンシャルプロファイルおよびバンドギャップ領域内の減衰状態を物理的根拠に基づいた解析的記述を提供することを目的とする。
• すべてのバイアス条件下での材料、寸法、幾何形状パラメータがTFET性能に与える影響を定量的に分析できるようにすることを目的とする。
• より深いデバイス物理的洞察を得るため、エネルギー依存のバンドギャップ間トンネル効果電流をモデル化することを目的とする。

提案手法

• ポテンシャルプロファイルを記述するための2つの異なる手法を用いる：1つはソースおよびチャネル領域におけるポアソン方程式の区分的解法に基づくものである。
• もう1つの手法は、チャネルにおけるトンネル距離を正確に表現できる便宜的なポテンシャル関数を用いるものである。
• バンドギャップ領域内の減衰状態の虚数的分岐の楕円性をモデルに組み込み、正確なトンネル電流予測に不可欠な要因として扱う。
• 本コンパクトモデルは、最先端のフルバンド原子的量子輸送シミュレーションの結果と照合することで検証された。
• 本モデルにより、物理的パラメータとデバイス応答を結びつけるエネルギー依存のバンドギャップ間トンネル効果（BTBT）電流の計算が可能になった。
• 本モデルの定式化は、簡潔でありながら高精度を実現しており、すべての動作モードにおける多様なデバイスパラメータの効率的探索を可能にしている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケーリングされたTFETのチャネルにおけるポテンシャルプロファイルを、ソース/ドーピング効果を含めた解析的表現で正確にモデル化するにはどうすればよいか？
• RQ2 減衰状態の楕円性がTFETにおけるトンネル電流に及ぼす影響は何か？
• RQ3 ソース/ドレインドーピングは、高性能で急激にスケーリングされたTFETの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 コンパクトモデルは、n型およびp型の両導電型分岐におけるオン状態およびオフ状態のI-V特性を正確に再現できるか？
• RQ5 本モデルは、より深い物理的洞察を得るため、エネルギー依存のバンドギャップ間トンネル効果電流をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• 区分的ポアソンに基づくおよびトンネル距離に基づく2つの提案されたポテンシャルプロファイルモデルは、すべての動作領域においてフルバンド原子的シミュレーションと良好な一致を示した。
• 本モデルは、オン状態およびオフ状態の両方、およびn型およびp型の両導電型分岐を含めたTFETの全I-V特性を正確に捉えた。
• TFETがスケーリングされるに従い、ソースおよびドレインドーピングがデバイス性能に与える影響が極めて重要になる。
• 本モデルにより、エネルギー依存のバンドギャップ間トンネル効果電流の正確な計算が可能となり、トンネルプロセスの背後にある物理的メカニズムの分析への道筋が開かれた。
• コンパクトモデルの簡潔さと高い正確性は、材料、寸法、幾何形状の影響がTFET性能に与える影響を定量的に探求する強力なツールであることを示している。
• 本モデルは広範なバイアス条件において検証されており、その頑健さと予測能力が確認された。