[논문 리뷰] Pronounced Effect of pn-Junction Dimensionality on Tunnel Switch Threshold Shape

Sapan Agarwal, Eli Yablonovitch|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 01.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design참고 문헌 9인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 pn 접합의 차원성—특히 p형 및 n형 측면에서의 양자 구속성—이 터널 전류의 케이스 온 날카기 정도에 뚜렷한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 2D-2D 접합은 거의 이상적인 스텝 함수 응답을 보이며, 3D-3D 접합은 오직 제곱형의 케이스 온을 보이므로, 저차원 접합은 TFET와 같은 고성능 터널링 장치에 필수적이다.

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.

연구 동기 및 목표

• pn 접합의 양측에서의 양자 차원성이 터널 전류 특성에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 터널링 장치에서 급격하고 고전도성의 케이스 온/오프 스위칭을 달성하기 위한 최적의 접합 구성 조건을 규명하는 것.
• 정확한 장치 모델링을 위해 pn 접합의 각 측면에서 차원성(3D, 2D, 1D, 0D)을 명시하는 것이 필수적임을 확립하는 것.
• 감소된 차원성이 임계 전압에서의 터널 전도도에 미치는 영향를 탐구하는 것.
• 3D-3D, 2D-2D, 1D-1D 등 9가지의 서로 다른 차원 조합(예: 3d-3d, 2d-2d, 1d-1d)의 전압-전류 응답을 비교하는 것.

제안 방법

• pn 접합의 각 측면에서의 양자 차원성(3D, 2D, 1D, 0D)에 기반해, 터널 전류를 지배하는 밴드 모서리의 밀도 상태(DOS)를 분석한다.
• 접합의 장벽을 넘는 터널링 확률과 DOS를 통합하여 전류-전압(I-V) 응답을 모델링한다.
• 3d-3d, 2d-2d, 1d-1d 및 2d-3d와 같은 혼합 구조를 포함한 9가지 물리적으로 구별되는 차원 조합을 고려한다.
• 이상화된 급격한 이종접합을 가정하여, 표면 산란이나 불순물의 영향 없이 이론적 I-V 곡선을 유도한다.
• 감소된 차원에서의 효과 질량과 에너지 준위 간격의 변화를 비교함으로써 양자 구속의 영향을 정량화한다.
• 표준 고체물리학 원리, 특히 효과 질량 근사와 페르미-디랙 통계를 사용하여 터널 전도도를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pn 접합의 p형 및 n형 반도체의 차원성이 터널 전류 케이스 온의 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 어느 차원 조합이 터널 전류에서 가장 날카로운 케이스 온 전이를 만들어내는가?
• RQ3 왜 2D-2D 접합은 스텝 함수 I-V 응답을 보이며, 3D-3D 접합은 오직 제곱형의 케이스 온만을 보이는가?
• RQ4 양자 구속은 임계 전압에서 터널 전도도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 9가지 가능한 차원 조합 중에서(3d-3d, 2d-2dedge 등) 어떤 것이 가장 유리한 스위칭 특성을 제공하는가?

주요 결과

• 2D-2D pn 접합은 밴드 모서리에서의 급격한 밀도 상태로 인해 거의 이상적인 스텝 함수 전압-전류 응답을 보인다.
• 반대로, 3D-3D 접합은 오직 제곱형의 케이스 온을 보이며, 이는 훨씬 덜 급격한 스위칭 행동을 초래한다.
• 양측의 차원 감소는 임계 전압에서 터널 전도도를 크게 증가시켜 장치 성능을 향상시킨다.
• 2d-2dface 구성은 연구된 9가지 구성 중에서 가장 유리한 임계형태를 제공할 것으로 예측된다.
• 0d-0d 및 1d-1dedge 구성은 중간 수준의 행동을 보이지만, 2d-2d 접합의 스텝형 응답을 따라오지 못한다.
• 본 연구는 pn 접합의 각 측면에서의 차원성을 명시하는 것이 터널링 장치의 정확한 모델링에 필수적임을 규명한다.