[論文レビュー] Pronounced Effect of pn-Junction Dimensionality on Tunnel Switch Threshold Shape

Sapan Agarwal, Eli Yablonovitch|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2011

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 9被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、pnジャンクションの次元性—特にp型およびn型側における量子閉じ込め効果—がトンネル電流のオン・スイッチングの鋭さに顕著に影響することを示している。2D-2Dジャンクションは、ほぼ理想のステップ関数的応答を示すのに対し、3D-3Dジャンクションは二次関数的オンにとどまるため、低次元ジャンクションはTFETなどの高性能トンネルデバイスにおいて不可欠である。

ABSTRACT

Designing tunneling junctions with abrupt on-off characteristics and high current densities is critical for many different devices including backward diodes and tunneling field effect transistors (TFETs). It is possible to get a sharp, high conductance on/off transition by exploiting the sharp step in the density of states at band edges. The nature of the density of states, is strongly dependent on quantum dimensionality. To know the current/voltage curve requires us to specify both the n-side dimensionality and the p-side dimensionality of pn junctions. We find that a typical bulk 3d-3d tunneling pn junction has only a quadratic turn-on function, while a pn junction consisting of two overlapping quantum wells (2d-2d) would have the preferred step function response. We consider nine physically distinguishable possibilities: 3d-3d, 2d-2dedge, 1d-1dend, 2d-3d, 1d-2d, 0d-1d, 2d-2dface, 1d-1dedge and 0d-0d. Thus we introduce the obligation to specify the dimensionality on either side of pn junctions. Quantum confinement, or reduced dimensionality on each side of a pn junction has the added benefit of significantly increasing the tunnel conductance at the turn-on threshold.

研究の動機と目的

• pnジャンクションの両側における量子次元性がトンネル電流特性に与える影響を理解すること。
• トンネルデバイスにおける急峻で高伝導度のオン/オフスイッチングを達成するための最適なジャンクション構成を特定すること。
• 正確なデバイスモデル化のため、pnジャンクションの各側における次元性（3D、2D、1D、0D）を明示することが不可欠であることを確立すること。
• 低次元化がしきい値電圧におけるトンネル伝導度に与える影響を調査すること。
• 9つの異なる次元性の組み合わせ（例：3d-3d、2d-2d、1d-1d）の電流-電圧応答を比較すること。

提案手法

• 本研究は、トンネル電流を支配する状態密度（DOS）を、pnジャンクションの各側における量子次元性（3D、2D、1D、0D）に基づいて分析する。
• トンネル確率をジャンクションの障壁全体にわたって統合することで、電流-電圧（I-V）応答をモデル化する。
• 物理的に異なる9つの次元性の組み合わせ（3d-3d、2d-2d、1d-1d、および2d-3dのような混合構成を含む）を検討する。
• 界面散乱や不規則性のない理想化された急峻なヘテロジャンクションを仮定して、理論的I-V曲線を導出する。
• 低次元における有効質量およびエネルギー準位間隔の変化を比較することで、量子閉じ込め効果を定量的に評価する。
• 有効質量近似およびフェルミ・ディラック統計を用いた標準的な固体物理学の原則に従い、トンネル伝導度を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pnジャンクションにおけるp型およびn型半導体の次元性が、トンネル電流のオン・スイッチングの形状にどのように影響するか？
• RQ2 どの次元性の構成がトンネル電流のオン/オフ遷移を最も鋭くするか？
• RQ3 なぜ2D-2Dジャンクションはステップ関数的I-V応答を示すのに対し、3D-3Dジャンクションは二次関数的オンにとどまるのか？
• RQ4 量子閉じ込め効果は、しきい値電圧におけるトンネル伝導度をどのように向上させるか？
• RQ5 9つの可能な次元性の組み合わせ（3d-3d、2d-2dedgeなど）の中で、どの構成が最も望ましいスイッチング特性を示すか？

主な発見

• 2D-2D pnジャンクションは、バンド端における急峻な状態密度のおかげで、ほぼ理想のステップ関数的電流-電圧応答を示す。
• これに対して、3D-3Dジャンクションは二次関数的オンにとどまり、はるかに不鮮明なスイッチング行動を示す。
• 両側の低次元化は、しきい値電圧におけるトンネル伝導度を顕著に向上させ、デバイス性能を向上させる。
• 2d-2dface構成は、研究された9つの構成の中で最も望ましいしきい値形状を示すと予測される。
• 0d-0dおよび1d-1dedge構成は中間的な挙動を示すが、2d-2dジャンクションのステップ状応答には及ばない。
• 本研究は、トンネルデバイスの正確なモデル化のため、pnジャンクションの各側における次元性を明示することが不可欠であることを確立した。