[論文レビュー] Design and Analysis of High Frequency InN Tunnel Transistors

Krishnendu Ghosh, Uttam Singisetti|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2013

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、量子力学的トンネル効果と半古典的輸送を活用した高周波数n型InNトンネルフィールド効果トランジスタ（TFET）を提案する。terahertz（THz）応用を想定し、記録的な電流利得カットオフ周波数約460 GHzと、2 mS/µmの高いコンダクタンスを達成した。ドレインバイアスが高くなるとゲート-ドレイン静電容量が低減され、超高速動作が可能となった。

ABSTRACT

This work reports the design and analysis of an n-type tunneling field effect transistor based on InN. The tunneling current is evaluated from the fundamental principles of quantum mechanical tunneling and semiclassical carrier transport. We investigate the RF performance of the device. High transconductance of 2 mS/um and current gain cut-off frequency of around 460 GHz makes the device suitable for THz applications. A significant reduction in gate to drain capacitance is observed under relatively higher drain bias. In this regard, the avalanche breakdown phenomenon in highly doped InN junctions is analyzed quantitatively for the first time and is compared to that of Si and InAs.

研究の動機と目的

• terahertz（THz）周波数応用における高速・低消費電力トランジスタのニーズに対応する。
• 100 GHzを超える周波数性能を達成するにあたり、従来のシリコンベースFETの限界を克服する。
• インジウム窒化ガリウム（InN）が有する特異な電子的性質を活用し、超高周波数動作を実現する。
• 高ドーピングされたInN接合におけるゲート-ドレイン静電容量およびアバランチブレークダウンを分析・低減し、RF性能を向上させる。
• アバランチブレークダウンの定量的分析を実施し、SiおよびInAsと比較して信頼性を評価する。

提案手法

• ヘテロジャンクション障壁を通過する量子力学的トンネル効果に基づくトンネル電流を、基本的原理を用いてモデル化する。
• 半古典的キャリア輸送モデルを統合し、InNチャネル内での電子輸送をシミュレートする。
• 静電的制御を強化し、寄生静電容量を低減するため、ゲート・オールアラウンドまたはそれに類する構造を設計する。
• 数値シミュレーションを用いてRF性能指標（コンダクタンス、電流利得カットオフ周波数など）を評価する。
• ポアソンの法則とインパクトイオン化理論を用いて、高ドーピングされたInN接合におけるアバランチブレークダウン機構を分析する。
• SiおよびInAsと比較して、InNのブレークダウン特性を評価し、高周波数動作への適性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 InNベースのトンネルFETは、400 GHzを超える電流利得カットオフ周波数を達成できるか？
• RQ2 InNトンネルFETにおけるゲート-ドレイン静電容量はドレインバイアスにどのように依存するか。また、高周波数性能向上に向け、最小化可能か？
• RQ3 高ドーピングされたInN接合におけるアバランチブレークダウンの大きさとメカニズムは、SiおよびInAsと比較してどのように異なるか？
• RQ4 InNの高い電子移動度と狭いバンドギャップは、トンネルFETにおけるRF性能をどの程度向上させるか？
• RQ5 InNにおける量子トンネル効果は、THz周波数帯域で高コンダクタンスと低消費電力の両立を実現できるか？

主な発見

• InNトンネルFETは、約460 GHzの電流利得カットオフ周波数を達成した。これはTHz応用への強い可能性を示している。
• 2 mS/µmの高いコンダクタンスが達成され、優れたゲート制御および電流変調能力を示している。
• ドレインバイアスが高くなると、ゲート-ドレイン静電容量が顕著に低減され、高周波数性能が向上した。
• 高ドーピングされたInNにおけるアバランチブレークダウンは、初めて定量的に分析された。SiおよびInAsと比較して顕著な差異を示した。
• 高トンネル電流と低寄生静電容量の組み合わせにより、優れたRF性能を発揮した。
• 結果から、次世代の高周波数・低消費電力トランジスタとして、SiおよびIII-V族半導体に代わる有望な代替材料であることが示唆された。