[논문 리뷰] A Predictive Compact Model for High-Performance Tunneling-Field Effect Transistors Approaching the Accuracy of NEGF Simulations

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

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고성능 터널링 FET(TFET)를 위한 예측형 단순 모델을 제안하며, 원자적 수준의 3D NEGF 시뮬레이션 결과를 정확하게 재현한다. 이는 고체에서의 원천-채널 잠재력 프로파일과 금속 밴드 갭 내 복합 밴드의 타원형 곡률을 분석적으로 모델링하여 달성된다. 모델은 온/오프 상태 및 n형, p형 도핑 모두에서 높은 정확도를 확보하며, 초미세 스케일 TFET에서 재료, 치수, 기하학적 구조의 영향을 효율적이고 물리 기반으로 탐색할 수 있도록 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초미세 스케일 TFET의 전체 I-V 특성을 정확하게 예측할 수 있는 단순 모델을 개발하는 것.
• 기존 TFET 모델에서 부족한 원천/드레인 도핑 효과의 체계적 다루움을 해결하는 것. 이는 초미세 스케일 소자에서 매우 중요하다.
• 재료, 치수, 기하학적 매개변수의 영향이 모든 편압 조건 하에서 TFET 성능에 어떻게 작용하는지 정량적 분석을 가능하게 하는 것.
• 고비용 3D NEGF 시뮬레이션에 대한 계산 효율성이 높은 대안을 제공하면서도 높은 물리적 정확도를 유지하는 것.
• 에너지 의존성 밴드 간 터널링 전류를 포착하여 TFET 소자 물리학에 대한 깊이 있는 통찰을 제공하는 것.

제안 방법

• 동일한 밴드의 TFET에서 1D 포아송 방정식을 사용하여 원천 및 채널 영역의 잠재력 프로파일을 분석적으로 기술한다.
• 밴드 갭 영역 내 복합 밴드의 타원형 곡률을 포함하여 터널링 전송 물리학을 정확하게 모델링한다.
• 이 방법을 통해 에너지 의존성 터널링 전류를 계산할 수 있으며, 소자 기하학적 구조와 재료 특성이 전류 흐름에 어떻게 영향을 주는지 연결한다.
• 모델은 3D 전체 밴드 원자적 수준의 NEGF 시뮬레이션과 비교하여 검증되었으며, 모든 동작 모드에서 높은 정확도를 확보한다.
• 원천 및 드레인 영역의 도핑 프로파일을 통합하여 성능에 미치는 영향을 정량화한다. 이는 이전 모델에서 자주 간과되는 특징이다.
• 재료, 치수, 기하학적 구조에 대한 체계적 파arameter 스윕을 지원하여 성능 트레이드오프를 효율적으로 탐색할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단순 모델이 3D NEGF 시뮬레이션과 비교해 초미세 스케일 TFET의 전체 I-V 특성을 얼마나 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ2 잠재력 프로파일에 원천/드레인 도핑을 포함함으로써 모델 정확도와 물리적 관련성이 얼마나 향상되는가?
• RQ3 모델이 모든 편압 조건 하에서 n형 및 p형 도핑 브랜치를 고정밀도로 포착할 수 있는가?
• RQ4 복합 밴드의 타원형 곡률이 TFET에서 터널링 전류 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 모델이 계산 비용이 높은 NEGF 시뮬레이션에 대한 실용적이고 빠른 대안으로서 소자 설계 및 최적화에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 단순 모델은 온/오프 상태 및 n형, p형 도핑 브랜치를 포함한 모든 동작 영역에서 NEGF 시뮬레이션 결과를 높은 정확도로 재현한다.
• 1D 포아송 해법에 원천 및 드레인 도핑을 포함시킴으로써, 특히 초미세 스케일 기하학에서 소자 성능 예측 능력이 크게 향상된다.
• 모델은 에너지 의존성 밴드 간 터널링 전류를 성공적으로 포착하여 터널링 메커니즘에 대한 깊이 있는 물리적 통찰을 제공한다.
• 이 방법은 어떤 편압 조건에서도 재료, 치수, 기하학적 영향의 영향을 효율적이고 정량적으로 탐색할 수 있도록 한다.
• 모델는 계산 효율성과 물리적 정확도 사이의 균형을 확보하여 3D NEGF 시뮬레이션에 대한 실용적인 대안이 된다.
• 모델의 예측 능력은 다양한 소자 매개변수에 걸쳐 검증되었으며, 이는 그 강건성과 일반화 능력을 확인한다.