[논문 리뷰] An efficient tight-binding mode-space NEGF model enabling up to million atoms III-V nanowire MOSFETs and TFETs simulations

Aryan Afzalian, T. Vasen외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 02.

Semiconductor materials and devices참고 문헌 49인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 III-V 나노와이어 MOSFET 및 TFET의 대규모 원자 구조 양자 시뮬레이션을 가능하게 하는 새로운 밀도함수 기반 비평형 그린 함수(NEGF) 모델을 제안한다. 기존 실공간 TB를 모드 공간 접근법으로 대체함으로써, 전통적인 방법 대비 최대 10,000배 빠른 성능을 확보하면서도 1% 미만의 정확도를 유지하며, 나노스케일 장치에서의 밴드 간 터널링을 세밀하게 분석할 수 있다.

ABSTRACT

We report the capability to simulate in a quantum mechanical tight-binding (TB) atomistic fashion NW devices featuring several hundred to millions of atoms and diameter up to 18 nm. Such simulations go far beyond what is typically affordable with today's supercomputers using a traditional real space (RS) TB Hamiltonian technique. We have employed an innovative TB mode space (MS) technique instead and demonstrate large speedup (up to 10,000x) while keeping good accuracy (error smaller than 1 percent) compared to the RS NEGF method. Such technique and capability open new avenues to explore and understand the physics of nanoscale and mesoscopic devices dominated by quantum effects. In particular, our method addresses in an unprecedented way the technological relevant case of band-to-band tunneling (BTBT) in III-V nanowire MOSFETs and broken gap heterojunction tunnel-FETs (TFETs). We demonstrate an accurate match of simulated BTBT currents to experimental measurements in a [111] InAs NW having a 12 nm diameter and a 300 nm long channel. We apply the predictivity of our TB MS simulations and report an in-depth atomistic study of the scaling potential of III-V GAA nanowire heterojunction n and pTFETs quantifying the benefits of this technology for low-power, low-voltage CMOS application. At VDD = 0.3 V and IOFF = 50 pA/um, the on-current (Ion) and energy-delay product (ETP) gain over a Si NW GAA MOSFET are 58x and 56x respectively.

연구 동기 및 목표

• 기존 실공간 밀도함수 기반 방법으로는 다루기 어려운 대규모 원자 구조 양자 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해 III-V 나노와이어 MOSFET 및 TFET를 대상으로 한다.
• 최대 백만 원자 및 지름 18 nm 이하의 장치를 처리할 수 있는 계산 효율성이 뛰어난 시뮬레이션 프레임워크를 개발한다.
• 저전력 CMOS 응용을 위한 III-V 나노와이어 이종접합 TFET에서의 밴드 간 터널링(BTBT)을 정확히 모델링한다.
• 실리콘 기반 대비 게이트 올라운드(GAA) III-V 나노와이어 TFET의 스케일링 잠재력을 정량화한다.
• InAs 나노와이어에서의 실험적 BTBT 전류 측정치와 비교하여 모델을 검증하고 초저전압에서의 장치 성능을 예측한다.

제안 방법

• 밀도함수 해밀토니안을 모드 공간으로 표현하여, 횡방향 양자화된 모드에 전자 상태를 투영함으로써 문제의 차원을 감소시킨다.
• 이 방법은 비평형 그린 함수(NEGF) 형식과 결합되어 개방적이고 비평형 상태의 시스템에서의 양자 운반성질을 계산한다.
• 횡방향과 종방향 방향을 분리함으로써, 원자 구조 정확도를 유지하면서도 모드 기저에서 그린 함수를 효율적으로 해석할 수 있다.
• 최소 기저 집합을 사용하고 대칭성을 활용하여 실공간 TB-NEGF에 비해 계산 비용을 크게 감소시킨다.
• 모드 기저에서 전체 밀도함수 해밀토니안의 구조를 유지함으로써, 밴드 구조와 터널링을 신뢰할 수 있게 정확히 기술한다.
• 고성능 컴퓨팅을 고려해 병렬화 및 최적화하여 최대 백만 원자 수준의 장치 시뮬레이션을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모드 공간 밀도함수 기반 NEGF 모델은 최대 백만 원자 수준의 III-V 나노와이어 MOSFET 및 TFET를 고정밀도로 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 실공간 밀도함수 기반 NEGF에 비해 모드 공간 접근법이 계산 비용을 얼마나 줄이는가?
• RQ3 모델은 InAs 나노와이어에서 실험적으로 측정된 밴드 간 터널링 전류를 얼마나 정확히 재현하는가?
• RQ4 VDD = 0.3 V 조건에서 III-V GAA 나노와이어 TFET는 실리콘 기반 대비 온-전류 및 에너지-지연 제품에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ5 III-V 이종접합 TFET는 초저전압, 저전력 CMOS 응용을 위한 원자 구조적 스케일링 잠재성을 얼마나 갖는가?

주요 결과

• 모드 공간 TB-NEGF 방법은 기존 실공간 TB-NEGF 대비 최대 10,000배 빠른 성능을 확보하면서도 운반성질의 오차가 1% 미만으로 유지된다.
• 모델은 지름 12 nm, [111] 방향의 InAs 나노와이어(채널 길이 300 nm)에서 실험적 밴드 간 터널링 전류를 정확히 재현한다.
• VDD = 0.3 V 및 IOFF = 50 pA/µm 조건에서 III-V GAA nTFET는 실리콘 나노와이어 MOSFET 대비 58배 높은 온-전류(Ion)를 기록한다.
• 동일 조건에서 III-V nTFET의 에너지-지연 제품(ETP)은 실리콘 MOSFET 대비 56배 우수하다.
• 이 연구는 최대 백만 원자 수준의 메조스코픽 장치를 시뮬레이션할 수 있음을 입증하며, 나노와이어 트랜지스터에서의 양자 효과를 세밀하게 원자 구조 수준에서 분석할 수 있음을 보여준다.
• 결과는 향후 저전력, 초저전압 CMOS 기술을 위한 III-V GAA 나노와이어 TFET의 강력한 잠재력을 확인한다.