[논문 리뷰] A New Compact Model For High-Performance Tunneling-Field Effect Transistors

Ramon B. Salazar, Hesameddin Ilatikhameneh외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 30.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고성능 터널링 FET(TFET)를 위한 새로운 분석적 컴팩트 모델을 제안하며, 채널의 잠재력 프로파일과 금속 밴드 갭 내의 응집 상태를 모델링하고 타원형 효과를 포함하여 전체 I-V 특성을 정확히 반영한다. 전반적인 밴드 원자 스케일 시뮬레이션과의 검증을 통해, 에너지 의존성 밴드-밴드 터널링을 정밀하게 분석할 수 있으며, 스케일링된 TFET에서 소스/드레인 도핑의 핵심적 역할을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 극적으로 스케일링된 TFET의 전체 전류-전압 행동을 정확히 기술하는 컴팩트 모델을 개발하기 위해.
• 서브스위치 및 온 상태 영역에서 소스/드레인 도핑이 TFET 성능에 미치는 영향을 기록하기 위해.
• 잠재력 프로파일과 밴드 갭 영역 내 응집 상태에 대해 물리적으로 기반을 둔 분석적 기술을 제공하기 위해.
• 모든 비bias 조건 하에서 재료, 크기, 기하학적 매개변수의 영향을 성능에 정량적으로 분석할 수 있도록 하기 위해.
• 더 깊은 장치 물리학적 통찰을 얻기 위해 에너지 의존성 밴드-밴드 터널링 전류를 모델링하기 위해.

제안 방법

• 모델은 소스 및 채널 영역에서 포아송 방정식의 조각별 해를 기반으로 한 잠재력 프로파일 기술과, 채널 내 터널링 거리를 정확히 표현하는 두 가지 별도의 접근 방식을 사용한다.
• 모델은 밴드 갭 영역 내 응집 상태의 허수 분지의 타원형을 포함하여, 정확한 터널링 전류 예측에 필수적인 요소를 포함한다.
• 컴팩트 모델은 최신 전반적인 밴드 원자 스케일 양자 운반 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 검증된다.
• 모델은 물리적 매개변수와 장치 반응을 연결하는 에너지 의존성 밴드-밴드 터널링(BTBT) 전류의 계산을 가능하게 한다.
• 수식은 단순하면서도 정확하도록 설계되어, 모든 작동 모드에서 다양한 장치 매개변수에 대한 효율적인 탐색을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극적으로 스케일링된 TFET의 채널에서 소스/도핑 효과를 포함한 분석적 표현을 사용하여 잠재력 프로파일을 어떻게 정확히 모델링할 수 있는가?
• RQ2 응집 상태의 타원형이 TFET의 터널링 전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 소스/드레인 도핑은 고성능이면서 극적으로 스케일링된 TFET의 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 컴팩트 모델이 n형 및 p형 도핑 브랜치의 온 상태 및 오프 상태 I-V 특성을 모두 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ5 모델은 얼마나 깊이 있는 물리적 통찰을 얻기 위해 에너지 의존성 밴드-밴드 터널링 전류를 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 조각별 포아송 기반 및 터널링 거리 기반의 두 잠재력 프로파일 모델 모두 전반적인 밴드 원자 스케일 시뮬레이션과 모든 작동 영역에서 양호한 일치를 보였다.
• 모델은 TFET의 전체 I-V 특성, 즉 온 상태 및 오프 상태, 그리고 n형 및 p형 도핑 브랜치를 모두 정확히 포괄한다.
• TFET가 스케일링됨에 따라 소스 및 드레인 도핑이 장치 성능에 미치는 영향이 매우 중요해진다.
• 모델은 에너지 의존성 밴드-밴드 터널링 전류를 정확히 계산할 수 있으며, 터널링 과정의 근본적인 물리학을 분석할 수 있는 길을 열어준다.
• 컴팩트 모델의 단순성과 높은 정확도는 재료, 크기, 기하학적 영향에 대한 정량적 탐색에 강력한 도구로 기능한다.
• 모델은 광범위한 비bias 조건에서 검증되었으며, 그 견고성과 예측 능력을 확인하였다.