[논문 리뷰] Simulation of Schottky-Barrier Phosphorene Transistors

Runlai Wan, Xi Cao외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 21.

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한 줄 요약

이 연구는 비평형 그린 함수 형식을 사용하여 샤롯트-바리어 인 phosphorene 필드효과 트랜지스터를 시뮬레이션하여, 두꺼운 게이트 산화막에서 강한 양극성 누설이 발생함을 밝혀냈다. 특히 두꺼운 인 phosphorene 층에서 두드러진다. 주요 발견은 단일층 또는 이중층 인 phosphorene가 누설을 효과적으로 억제하고 고온 전류를 가능하게 하며, 이는 비대칭성 있는 전송 특성에 의해 결정되는 결정학적 방향에 따라 성능이 크게 달라진다는 것이다.

ABSTRACT

Schottky barrier field-effect transistors (SBFETs) based on few and mono layer phosphorene are simulated by the non-equilibrium Green's function formalism. It is shown that scaling down the gate oxide thickness results in pronounced ambipolar I-V characteristics and significant increase of the minimal leakage current. The problem of leakage is especially severe when the gate insulator is thin and the number of layer is large, but can be effectively suppressed by reducing phosphorene to mono or bilayer. Different from two-dimensional graphene and layered dichalcogenide materials, both the ON-current of the phosphorene SBFETs and the metal-semiconductor contact resistance between metal and phosphorene strongly depend on the transport crystalline direction.

연구 동기 및 목표

• Schottky-barrier 필드효과 트랜지스터(SBFET)의 성능 한계를 소수층 및 단일층 인 phosphorene 기반으로 조사하기 위해.
• 게이트 산화막 두께와 인 phosphorene 층 수가 누설 전류 및 양극성 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 결정학적 방향이 인 phosphorene SBFET의 ON 전류 및 접합 저항을 결정하는 데 미치는 역할을 평가하기 위해.
• 누설 및 비대칭성 측면에서 인 phosphorene SBFET을 그래핀 및 전이 금속 디칼코겐화합물 기반 장치와 비교하기 위해.

제안 방법

• 전자 운반체의 운반을 모델링하기 위해 비평형 그린 함수(NEGF) 형식을 사용하였다.
• 다양한 게이트 산화막 두께를 가진 소수층 및 단일층 인 phosphorene에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
• 금속-인 phosphorene 인터페이스에서 샤롯트 장벽 형성의 영향을 고려하였다.
• 인 phosphorene의 다층 결정 구조에 기반한 비대칭 밴드 구조 및 운반체 특성을 통합하였다.
• 양극성 거동을 평가하기 위해 소스-드레인 및 게이트 구성에서 전류-전압(I–V) 특성을 계산하였다.
• 결정학적 방향에 따라 금속과 인 phosphorene 사이의 접합 저항을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이트 산화막 두께는 인 phosphorene SBFET의 누설 전류와 양극성 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 인 phosphorene 층 수는 최소 누설 전류와 ON 전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 결정학적 방향은 인 phosphorene SBFET의 ON 전류 및 금속-반도체 접합 저항에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 누설 및 비대칭성 측면에서 인 phosphorene SBFET은 그래핀 및 디칼코겐화합물 기반 SBFET과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 게이트 산화막 두께를 줄이면 누설 전류가 크게 증가하고 뚜렷한 양극성 I–V 특성이 나타난다.
• 두꺼운 인 phosphorene 층(다중층)은 게이트 산화막이 두꺼울 경우 심각한 누설을 보이며, 이는 장치 성능을 제한한다.
• 단일층 및 이중층 인 phosphorene는 두꺼운 산화막이더라도 누설을 효과적으로 억제하고 고온 전류를 유지한다.
• 인 phosphorene SBFET의 ON 전류는 결정학적 운반 방향에 따라 강하게 비대칭적이다.
• 금속-인 phosphorene 접합 저항 역시 결정학적 방향에 따라 크게 달라지며, 이는 전체 장치 효율성에 영향을 준다.
• 인 phosphorene SBFET는 그래핀이나 디칼코겐화합물 기반 장치보다 전류 및 접합 저항 모두에서 더 강한 비대칭성을 보인다.