[論文レビュー] A Predictive Compact Model for High-Performance Tunneling-Field Effect Transistors Approaching the Accuracy of NEGF Simulations

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

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ホモジャンクションTFETのソースからチャネルへのポテンシャルプロファイルとバンドギャップ内の複雑なバンドの楕円型曲率を解析的にモデル化することで、NEGFシミュレーション結果を高精度に再現する予測的コンパクトモデルを提示する。このモデルは、オン/オフ状態およびn型・p型両方の伝導領域において高い精度を達成しており、超スケール化されたTFETにおける材料、寸法、幾何形状の影響を効率的かつ物理的根拠に基づいた方法で探索可能である。

ABSTRACT

A new compact modeling approach is presented which describes the full current-voltage (I-V) characteristic of high-performance (aggressively scaled-down) tunneling field-effect-transistors (TFETs) based on homojunction 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 from source to channel, and 2) the elliptic curvature of the complex bands in the bandgap region. It is proposed to use 1D Poisson's equations in the source and the channel to describe the potential profile in homojunction TFETs. This allows to quantify the impact of source/drain doping on device performance, an aspect usually ignored in TFET modeling but highly relevant in ultra-scaled devices. The compact model is validated by comparison with state-of-the-art quantum transport simulations using a 3D full band atomistic approach based on Non-Equilibrium Green's Functions (NEGF). It is shown that the model reproduces with good accuracy the data obtained from the simulations in all regions of operation: the on/off states and the n/p branches of conduction. This approach allows calculation of energy-dependent band-toband tunneling currents in TFETs, a feature that allows gaining deep insights into the underlying device physics. The simplicity and accuracy of the approach provides a powerful tool to explore in a quantitatively manner how a wide variety of parameters (material-, size- and/or geometrydependent) impact the TFET performance under any bias conditions. The proposed model presents thus a practical complement to computationally expensive simulations such as the 3D NEGF approach.

研究の動機と目的

• 極めてスケーリングされたTFETの全I-V特性を正確に予測できるコンパクトモデルの開発を目的とする。
• 既存のTFETモデルにおいて、超スケール化デバイスにおいて極めて重要なソース/ドレインのドーピング効果が体系的になく、その欠落を是正することを目的とする。
• すべてのバイアス条件下で、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。
• 高精度な物理的妥当性を保ちつつ、計算コストの高い3D NEGFシミュレーションの代替として計算効率の高い代替手段を提供することを目的とする。
• エネルギー依存のバンドギャップ間トンネル電流を捉えることで、TFETデバイス物理学へのより深い洞察を提供することを目的とする。

提案手法

• ホモジャンクションTFETのソースおよびチャネル領域における1次元ポアソン方程式を用いて、ポテンシャルプロファイルを解析的に記述する。
• バンドギャップ領域における複雑なバンドの楕円型曲率を組み込むことで、トンネル輸送の物理を高精度にモデル化する。
• この手法により、エネルギー依存のトンネル電流を計算可能とし、デバイスの幾何形状および材料特性と電流の流れを結びつける。
• 3次元フルバンドアトミスティックNEGFシミュレーションとの比較により、全動作モードにおいて高い精度を保証する。
• ソースおよびドレイン領域のドーピングプロファイルを統合し、その性能への影響を定量的に評価する。これは、従来のモデルでしばしば無視されていた特徴である。
• 材料、寸法、幾何形状のパラメータを体系的にスイープ可能であり、性能のトレードオフを効率的に探索できるフレームワークを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトモデルは、3次元NEGFシミュレーションと比較して、超スケール化されたTFETの全I-V特性をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 ポテンシャルプロファイルにソース/ドレインのドーピングを組み込むことで、モデルの精度および物理的妥当性はどの程度向上するか？
• RQ3 モデルは、すべてのバイアス条件下でn型およびp型両方の伝導分岐を高精度に捉えることができるか？
• RQ4 複雑なバンドの楕円型曲率は、TFETにおけるトンネル電流予測にどのように影響を与えるか？
• RQ5 このモデルは、デバイス設計および最適化のための実用的で高速な3次元NEGFシミュレーションの代替手段として機能できるか？

主な発見

• コンパクトモデルは、オン/オフ状態およびn型・p型両方の伝導分岐を含む、すべての動作領域においてNEGFシミュレーション結果を高い精度で再現する。
• 1次元ポアソン解にソース/ドレインのドーピングを組み込むことで、特に超スケール化された幾何形状において、デバイス性能の予測能力が顕著に向上する。
• モデルはエネルギー依存のバンドギャップ間トンネル電流を成功裏に捉えており、トンネルメカニズムに関するより深い物理的洞察を可能にする。
• この手法により、任意のバイアス条件下で、材料、寸法、幾何形状がTFET性能に与える影響を効率的かつ定量的に探索可能である。
• 計算効率と物理的精度のバランスを図ったため、3次元NEGFシミュレーションの実用的代替手段としての有効性が裏付けられる。
• 広範なデバイスパラメータにわたる予測能力の妥当性が確認され、モデルの強靭性および一般化可能性が裏付けられた。