[논문 리뷰] Design and Analysis of High Frequency InN Tunnel Transistors

Krishnendu Ghosh, Uttam Singisetti|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 30.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 테라헤르츠(THz) 응용을 위한 고주파수 n형 InN 터널 필드효과트랜지스터(TFET)를 제안한다. 이는 양자역학적 터널링과 유체역학적 운반자 운반을 활용하며, 기록적인 전류 이득 절단 주파수 약 460 GHz와 높은 전도도 2 mS/µm를 달성한다. 더 높은 드레인 전압에서 게이트-드레인 커패시턴스가 감소하여 초고속 동작이 가능하다.

ABSTRACT

This work reports the design and analysis of an n-type tunneling field effect transistor based on InN. The tunneling current is evaluated from the fundamental principles of quantum mechanical tunneling and semiclassical carrier transport. We investigate the RF performance of the device. High transconductance of 2 mS/um and current gain cut-off frequency of around 460 GHz makes the device suitable for THz applications. A significant reduction in gate to drain capacitance is observed under relatively higher drain bias. In this regard, the avalanche breakdown phenomenon in highly doped InN junctions is analyzed quantitatively for the first time and is compared to that of Si and InAs.

연구 동기 및 목표

• 테라헤르츠(THz) 주파수 응용에서 고속·저전력 트랜지스터의 필요성을 해결한다.
• 100 GHz 이상의 고주파 성능을 달성하는 데 있어 기존 실리콘 기반 FET의 한계를 극복한다.
• 인듐 nitride(InN)의 고유한 전자적 성질을 활용하여 초고주파 동작을 가능하게 한다.
• 우수한 RF 성능을 확보하기 위해 고 doping 상태의 InN 접합에서의 게이트-드레인 커패시턴스와 앤젤라 브레이크다운을 분석하고 완화한다.
• 신뢰성 평가를 위해 InN의 앤젤라 브레이크다운을 정량적으로 분석하고, Si 및 InAs와 비교한다.

제안 방법

• 이질접합 장벽를 통해 양자역학적 터널링을 통한 전류를 기본 원리에 따라 모델링한다.
• 유체역학적 운반자 운반 모델을 통합하여 InN 채널 내 전자 운반을 시뮬레이션한다.
• 전기적 제어를 향상시키고 부가적 커패시턴스를 감소시키기 위해 게이트-올어라운드 또는 유사 게이트-올어라운드 구조를 설계한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 전도도 및 전류 이득 절단 주파수를 포함한 RF 성능 지표를 평가한다.
• 포isson 방정식과 영향 이온화 이론을 사용하여 고 doping 상태의 InN 접합에서의 앤젤라 브레이크다운 메커니즘을 분석한다.
• InN의 브레이크다운 특성을 Si 및 InAs와 비교하여 고주파 동작에 적합한지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 InN 기반 터널 FET는 400 GHz를 초과하는 전류 이득 절단 주파수를 달성할 수 있는가?
• RQ2 InN 터널 FET에서 게이트-드레인 커패시턴스는 드레인 전압에 따라 어떻게 변화하며, 고주파 성능 향상을 위해 최소화될 수 있는가?
• RQ3 고 doping 상태의 InN 접합에서의 앤젤라 브레이크다운의 크기와 메커니즘은 Si 및 InAs와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 InN의 높은 전자 이동도와 좁은 금반도가 터널 FET의 RF 성능 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 InN에서의 양자 터널링은 테라헤르츠 주파수에서 고전도도와 저전력 소비를 동시에 실현할 수 있는가?

주요 결과

• InN 터널 FET는 약 460 GHz의 전류 이득 절단 주파수를 달성하여 테라헤르츠 응용 잠재력이 높음을 시사한다.
• 2 mS/µm의 높은 전도도를 확보하여 우수한 게이트 제어 및 전류 조절 능력을 입증한다.
• 더 높은 드레인 전압에서 게이트-드레인 커패시턴스가 현저히 감소함을 관측하여 고주파 성능 향상에 기여한다.
• 고 doping 상태의 InN에서의 앤젤라 브레이크다운이 처음으로 정량적으로 분석되었으며, Si 및 InAs와는 뚜렷한 특성을 보였다.
• 높은 터널링 전류와 낮은 부가적 커패시턴스의 조합으로 유리한 RF 성능을 나타낸다.
• 결과적으로 InN는 향후 세대의 고주파·저전력 트랜지스터를 위한 Si 및 III-V 반도체 물질의 유망한 대안임을 시사한다.