[논문 리뷰] Predicted Performance Advantages of Carbon Nanotube Transistors with Doped Nanotubes as Source/Drain

Jing Guo, Javey, Ali외 3명|arXiv (Cornell University)|2003. 09. 01.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 17인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 탄소 나노튜브 필드효과 트랜지스터(CNTFET)에서 소스 및 드레인 전극으로 과도도화된 탄소 나노튜브를 사용하여 암비폴라 도핑을 억제하고 누설 전류를 감소시키는 것을 제안한다. 쇼트키 장벽을 제거하고 반도체 나노튜브의 전체 금역을 활용함으로써, 이 설계는 더 높은 온-전류를 가능하게 하며 기존 쇼트키 장벽 CNTFET을 초월한 스케일링 한계를 연다. 성능 향상은 나노튜브의 지름과 공급 전압에 따라 달라진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 금속 접촉을 사용하는 CNTFET에서 암비폴라 도핑과 높은 누설 전류 문제를 해결하기 위해.
• 도핑된 탄소 나노튜브를 소스 및 드레인으로 사용할 경우 터널링에 의한 누설 전류가 억제되는지 탐색하기 위해.
• 소스와 채널 사이의 쇼트키 장벽을 제거하여 장치의 스케일링 능력과 온-전류를 향상시키기 위해.
• 나노튜브 지름과 공급 전압이 누설 전류와 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 수치 시뮬레이션을 사용하여 도핑된 나노튜브 소스 및 드레인 영역을 갖는 CNTFET의 전기적 거동을 모델링한다.
• 장치 구조는 금속 접촉을 과도도화된 반도체 나노튜브로 대체하여 금속-산화물-반도체(MOS) FET 구성을 형성한다.
• 시뮬레이션은 나노튜브 채널의 전체 금역과 밴드 간 터널링을 고려하여 누설 전류를 결정짓는다.
• 모델은 기존 쇼트키 장벽 CNTFET과의 누설 전류 및 온-전류 성능을 비교한다.
• 스케일링 한계를 평가하기 위해 나노튜브 지름, 게이트 산화막 두께, 공급 전압 등의 핵심 매개변수를 변화시킨다.
• 분석은 쇼트키 장벽 지배에서 금역 제한 터널링으로의 전이에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CNTFET에서 금속 접촉을 도핑된 나노튜브로 대체할 경우 암비폴라 도핑을 효과적으로 억제하고 누설 전류를 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 기존 쇼트키 장벽 CNTFET과 비교해 도핑된 나노튜브를 소스 및 드레인으로 사용할 경우 온-전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 도핑된 CNTFET의 스케일링 한계는 게이트 산화막 두께와 공급 전압 측면에서 어떻게 되는가?
• RQ4 나노튜브 지름이 밴드 간 터널링과 전체 장치 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 기존 CNTFET의 반절 금역과 비교해 나노튜브 채널의 전체 금역이 누설 전류를 얼마나 더 효과적으로 제어하는가?

주요 결과

• 도핑된 나노튜브를 소스 및 드레인으로 사용함으로써 쇼트키 장벽이 제거되어 채널으로의 캐리어 직접 주입이 가능해져 더 높은 온-전류를 달성한다.
• 누설 전류는 기존 쇼트키 장벽 CNTFET에서 반절 금역을 기반으로 하는 것과는 달리, 나노튜브의 전체 금역에 비례하는 요소에 의해 감소한다.
• 도핑된 영역이 전자 도핑 상태일 때 정공 주입을 방지함으로써 암비폴라 도핑이 억제된다.
• 누설 전류가 이제 전체 금역을 통해 밴드 간 터널링에 의해 결정되므로, 이 장치의 스케일링 한계는 기존 CNTFET을 초월한다.
• 나노튜브 지름이 작고 공급 전압이 낮을수록 밴드 간 터널링이 금역 크기에 더 민감하게 반응하므로 성능 향상이 가장 두드러진다.
• 모델은 이러한 도핑된 CNTFET가 기존 쇼트키 장벽 CNTFET보다 더 높은 성능과 더 나은 스케일링 능력을 확보할 수 있다고 예측한다.