[논문 리뷰] Simulations of gated Si nanowires and 3-nm junctionless transistors

Lida Ansari, Baruch Feldman외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 24.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design참고 문헌 13인용 수 71

한 줄 요약

이 논문은 1 nm 와이어 지름과 3 nm 게이트 길이에서 게이트-올-어라운드 절연체 없는 실리콘 나노와이어 트랜지스터에 대한 최초의 원리적 시뮬레이션을 제시하며, 이러한 장치가 이상적 한계에 가까운 저항성 전하 이동과 강력한 전기적 제어를 달성할 수 있음을 입증한다. 절연체 없는 설계는 균일한 도핑을 가진 '게이트 리지스터'로 기능하며, 이러한 극한 척도에서도 유지를 하고 효과적이며, 단락 채널 제어성과 도핑 불균형에 대한 강건성 덕분에 기존의 절연체 기반 MOSFET보다 뛰어나다.

ABSTRACT

Inspired by recent experimental realizations and theoretical simulations of thin silicon nanowire-based devices, we perform predictive first-principles simulations of junctionless gated Si nanowire transistors. Our primary predictions are that Si-based transistors are physically possible without major changes in design philosophy at scales of ~1 nm wire diameter and ~3 nm gate length, and that the junctionless transistor may be the only physically sensible design at these length scales. We also present investigations into atomic-level design factors such as dopant positioning and concentration.

연구 동기 및 목표

• 3 nm 이하의 게이트 길이와 1 nm 이하의 와이어 지름에서, 기존의 절연체 기반 MOSFET가 근본적인 제조 및 물리적 제약에 직면하는 상황에서 실리콘 나노와이어 트랜지스터의 가능성 탐구.
• 원자 척도에서 절연체 없는 트랜지스터 개념이 물리적으로 타당하고 효과적인지 평가.
• 이 척도에서 도핑의 국소화, 농도 및 위치가 장치 성능에 미치는 영향 분석.
• 예측 가능한 최초 원리적 방법을 사용하여 게이트-올-어라운드(GAA) 절연체 없는 나노와이어 구조에서 전기적 제어성과 단락 채널 효과 평가.
• 1 nm 기술 노드에서 절연체 없는 설계가 유일한 물리적으로 타당한 선택인지 결정.

제안 방법

• DFTB+ 코드를 사용한 최초 원리적 전자 구조 계산으로, DFT에서 유도된 자기구속 밀도함수 밀착(DFBT) 매개변수를 활용.
• 나노와이어 주위에 고정된 점电하를 고리 형태로 배열하여 게이팅 전기장 모델링, HfO₂의 비편재율 ε = 25를 가진 게이트-올-어라운드(GAA) 구조 시뮬레이션.
• 약 800 원자를 포함하는 초세포를 사용하여 고농도 도핑(농도 N = 8×10²⁰ cm⁻³)을 가진 도핑된 Si 나노와이어 모델링, n형(As) 및 p형(Ga) 도핑 모두 모의.
• 주기적 경계 조건을 사용하여 전자 구조 및 해밀토니안 계산 후, 랑데르 공식과 그린 함수를 활용한 비자기구속 전송 분석 수행.
• 고농도 상태에서 도핑된 전자/정공의 국소화 및 비국소화 효과 평가를 위해 Mulliken 전하 분석 수행.
• TIMES 전송 코드를 사용하여 전송 함수 T(E) 계산을 통해 저항성 기울기와 I-V 특성 정량 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이트 길이 약 3 nm, 와이어 지름 약 1 nm에서 절연체 없는 실리콘 나노와이어 트랜지스터가 효과적인 전기적 제어성과 차단 동작을 유지할 수 있는가?
• RQ2 초박판 고농도 도핑 나노와이어에서 도핑의 국소화 및 비국소화는 전도성과 장치 동작에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 나노와이어 횡단면 내 도핑 위치가 밴드 구조와 전압-전류 특성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 원자 척도에서 절연체 없는 설계가 저항성 기울기 및 단락 채널 효과 완화 측면에서 기존의 절연체 기반 MOSFET보다 뛰어나다고 할 수 있는가?
• RQ5 이러한 극한 척도에서 도핑 변동에 대해 장치 성능과 온/오프 전류 비율이 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 절연체 없는 트랜지스터 설계는 와이어 지름 1.15 nm(R_NW = 0.6 nm) 및 게이트 길이 3.1 nm에서도 작동 가능하며, 이상적 한계에 가까운 저항성 기울기를 달성한다.
• 장치는 강력한 전기적 제어성을 보이며, I_off < 10⁻⁶ I_on로 나타나 음의 게이트 전압에서 피치오프를 통해 효과적인 차단이 가능하다.
• 도핑 전자 및 정공은 효과 질량과 유전율 효과 덕분에 0 K에서도 약 1.5 nm 반경으로 비국소화되며, 이는 이론적 추정치(R_loc ≈ 4 nm)와 일치한다.
• Mulliken 전하 분석 결과 초세포 전체가 도핑 영향을 받음을 확인하여, 고농도 상태에서 이온화가 전도에 필수적이지 않음을 확인한다.
• 절연체 없는 설계는 도핑 변동에 강건하며, 도핑 위치 및 농도 변화에도 불구하고 작동 원리가 안정적으로 유지된다.
• GAA 구조는 우수한 게이트 제어 덕분에 3 nm 게이트 길이에서도 거의 이상적인 저항성 기울기를 달성하며, 1 nm 노드에 적합함을 검증한다.