[論文レビュー] Predicted Performance Advantages of Carbon Nanotube Transistors with Doped Nanotubes as Source/Drain

Jing Guo, Javey, Ali+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2003

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 17被引用数 31

ひとこと要約

本稿では、カーボンナノチューブフィールド効果トランジスタ（CNTFET）におけるソースおよびドレイン電極として、高濃度ドーピングされたカーボンナノチューブを用いることで、アンビポーラコンダクタンスを抑制し、リーク電流を低減することを提案する。シュットキー準位障壁を排除し、半導体ナノチューブの全バンドギャップを活用することで、従来のシュットキー準位障壁CNTFETよりも高いオン電流を実現し、スケーリング限界を拡張する。性能向上はナノチューブの直径および供給電圧に依存する。

ABSTRACT

Most carbon nanotube field-effect transistors (CNTFETs) directly attach metal source/drain contacts to an intrinsic nanotube channel. When the gate oxide thickness is reduced, such transistors display strong ambipolar conduction, even when the Schottky barrier for electrons (or for holes) is zero. The resulting leakage current, which increases exponentially with the drain voltage, constrains the potential applications of such devices. In this paper, we use numerical simulations to show that if CNT based metal-oxide-semiconductor (MOS) FETs can be achieved by using heavily doped CNT sections as source and drain, ambipolar conduction will be suppressed, leakage current will be reduced, and the scaling limit imposed by source-drain tunneling will be extended. By eliminating the Schottky barrier between the source and channel, the transistor will be capable of delivering more on-current. The leakage current of such devices will be controlled by the full bandgap of CNTs (instead of half of the bandgap for SB CNTFETs) and band-to-band tunneling. These factors will depend on the diameter of nanotubes and the power supply voltage.

研究の動機と目的

• 金属接触を用いる従来のCNTFETにおけるアンビポーラコンダクタンスおよび高リーク電流の問題に対処すること。
• ドーピングされたカーボンナノチューブをソースおよびドレインに用いることで、トンネル効果に起因するリーク電流を抑制できるかどうかを検討すること。
• ソースとチャネル間のシュットキー準位障壁を排除することで、デバイスのスケーラビリティおよびオン電流を向上させること。
• ナノチューブの直径および供給電圧がリーク電流およびデバイス性能に与える影響を調査すること。

提案手法

• 数値シミュレーションを用いて、ドーピングされたナノチューブを有するソースおよびドレイン領域を有するCNTFETの電気的挙動をモデル化する。
• デバイス構造において金属接触を高濃度ドーピングされた半導体ナノチューブに置き換え、金属酸化物半導体（MOS）FET構成を形成する。
• バンドギャップの全範囲とバンドギャップ間トンネル効果を考慮し、これがリーク電流を支配する。
• 従来のシュットキー準位障壁CNTFETと比較して、リーク電流およびオン電流の性能を評価する。
• スケーリング限界を評価するため、ナノチューブの直径、ゲート酸化膜厚さ、供給電圧などの主要パラメータを変化させる。
• シュットキー準位障壁支配からバンドギャップ制限トンネル効果への遷移に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CNTFETにおける金属接触をドーピングされたナノチューブに置き換えることで、アンビポーラコンダクタンスを効果的に抑制し、リーク電流を低減できるか？
• RQ2 ドーピングされたナノチューブをソースおよびドレインに用いる場合、従来のシュットキー準位障壁CNTFETと比較してオン電流にどのような影響を与えるか？
• RQ3 ゲート酸化膜厚さおよび供給電圧の観点から、このようなドーピングCNTFETのスケーリング限界はどの程度か？
• RQ4 ナノチューブの直径がバンドギャップ間トンネル効果および全体的なデバイス性能に与える影響は何か？
• RQ5 従来のCNTFETにおける半分のバンドギャップと比較して、ナノチューブチャネルの全バンドギャップがリーク電流をどの程度制御できるか？

主な発見

• ドーピングされたナノチューブをソースおよびドレインに用いることでシュットキー準位障壁が消失し、チャネルへのキャリアの直接注入が可能となり、オン電流が向上する。
• リーク電流は、従来のシュットキー準位障壁CNTFETが半分のバンドギャップに依存するのに対し、ナノチューブの全バンドギャップに依存する要因によって低減される。
• ドーピングされた領域により、デバイスが電子伝導状態にある際のホール注入が防止されるため、アンビポーラコンダクタンスが抑制される。
• リーク電流が今や全バンドギャップを通過するバンドギャップ間トンネル効果によって支配されるため、従来のCNTFETよりもスケーリング限界が拡張される。
• バンドギャップサイズに敏感なバンドギャップ間トンネル効果が顕著に現れる小径ナノチューブおよび低供給電圧条件下で、性能向上が顕著に現れる。
• モデルは、このようなドーピングCNTFETが従来のシュットキー準位障壁CNTFETよりも高い性能と優れたスケーラビリティを達成できると予測している。