[논문 리뷰] Quantum Transport Simulation of III-V TFETs with Reduced-Order K.P Method

Jun Huang, Lining Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 08.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 III-V 터널링 FET의 3차원 양자 운반 모델링을 위한 효율적인 방법으로 감소된 차수의 k⋅p 방법과 비평형 그린 함수(NEGF) 시뮬레이션을 조합하여 제시한다. 이 방법은 계산 비용을 크게 줄이며 높은 정확도를 유지함으로써 InAs 동질접합 및 GaSb/InAs 이질접합 나노와이어 TFET의 채널 방향, 도핑, 응력, 소스 포켓 설계 등에 대한 체계적 최적화를 가능하게 하며, 이질접합에서는 동질접합 대비 최대 10배 높은 온-전류를 달성한다.

ABSTRACT

III-V tunneling field-effect transistors (TFETs) offer great potentials in future low-power electronics application due to their steep subthreshold slope and large "on" current. Their 3D quantum transport study using non-equilibrium Green's function method is computationally very intensive, in particular when combined with multiband approaches such as the eight-band K.P method. To reduce the numerical cost, an efficient reduced-order method is developed in this article and applied to study homojunction InAs and heterojunction GaSb-InAs nanowire TFETs. Device performances are obtained for various channel widths, channel lengths, crystal orientations, doping densities, source pocket lengths, and strain conditions.

연구 동기 및 목표

• III-V TFET에서 8밴드 k⋅p 해밀토니안을 사용한 NEGF를 통한 3차원 다밴드 양자 운반 시뮬레이션의 높은 계산 비용을 해결하기 위해.
• 복잡한 나노와이어 TFET 구조의 시뮬레이션 시간을 크게 줄이면서도 정확도를 유지하는 감소된 차수의 k⋅p 방법을 개발하기 위해.
• 채널 방향, 도핑, 응력, 이질구조 공학 등의 설계 매개변수에 걸쳐 III-V TFET의 성능 최적화를 체계적으로 가능하게 하기 위해.
• 정밀도를 검증하고 I-V 특성 및 밴드 구조 예측 정확도를 입증하기 위해 타이트-바인딩 기준과의 비교를 통해 방법의 정확성을 검증하기 위해.
• 저전력 응용을 위한 성능 향상 전략인 소스 포켓 및 응력 공학을 GaSb/InAs 이질접합 TFET에서 탐색하기 위해.

제안 방법

• 전체 8밴드 k⋅p 해밀토니안을 대체하기 위해 다중점 확장 감소된 차수의 k⋅p 모델을 구성하여 행렬 크기와 계산 부담을 감소시켰다.
• 혼합 실공간 및 스펙트럼 공간에서의 행렬 회전 및 이산화를 통해 밴드 갭 근처의 밴드 구조 정확도를 유지하였다.
• 다중점 확장으로 인해 발생하는 물리적으로 비합리적인 밴드를 제거하기 위한 잡음 밴드 제거 절차를 도입하여 물리적 일관성을 확보하였다.
• 감소된 차수의 k⋅p 해밀토니안을 비평형 그린 함수(NEGF) 형식과 결합하여 양자 운반 시뮬레이션을 수행하였다.
• 다양한 단면적, 방향, 장치 매개변수를 가진 게이트-올-어라운드 InAs 및 GaSb/InAs 나노와이어 TFET에서 시뮬레이션을 수행하였다.
• 정확도와 효율성을 검증하기 위해 타이트-바인딩 시뮬레이션과의 비교를 통해 밴드 구조 및 I-V 곡선을 기준으로 벤치마킹을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 III-V TFET에서 3차원 다밴드 양자 운반 시뮬레이션의 계산 비용을 정확도를 훼손하지 않고 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ2 InAs 나노와이어 TFET에서 온-전류와 스케일링 성능을 최대화하기 위한 최적의 결정 방향([100], [110], [111])은 무엇인가?
• RQ3 소스 포켓 도핑과 이질접합 공학은 GaSb/InAs TFET의 온-전류와 서브스위치 스위치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이방성 응력은 다양한 결정 방향에서 이질접합 TFET의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 감소된 차수의 k⋅p 방법은 타이트-바인딩 방법에 비해 복잡한 TFET의 I-V 특성과 밴드 구조를 정확하게 재현할 수 있는가?

주요 결과

• [111] 결정 방향은 InAs 동질접합 TFET에서 단면적 스케일링 능력이 가장 뛰어나 좁은 나노와이어에서 열등한 성능을 발휘한다.
• 이질접합 GaSb/InAs TFET는 유리한 스태그거드-갭 밴드 배열로 인해 터널링 장벽 높이와 거리를 감소시켜 동질접합 InAs TFET 대비 약 10배 높은 온-전류를 달성한다.
• 소스 포켓 도핑은 온-전류를 최대 200 μA/μm 향상시키며, 최적의 포켓 길이는 약 4 nm이며, 이를 초과하면 성능이 포화되거나 악화된다.
• 이방성 압축 응력은 [100] 방향에서 온-전류 향상에 가장 효과적이며, [111]에서는 효율 질량 증가로 인해 성능이 저하된다.
• 감소된 차수의 k⋅p NEGF 방법은 전체 k⋅p 또는 타이트-바인딩 방법 대비 뚜렷한 계산 시간 단축을 이끌어내면서도 밴드 구조 및 I-V 예측 정확도가 매우 높다.
• 잡음 밴드 제거 절차는 다중점 확장으로 인해 유발된 비물리적 밴드를 성공적으로 제거하여 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 결과를 보장한다.