[論文レビュー] Surface-Roughness-Limited Mean Free Path in Si Nanowire FETs

Hyo-Eun Jung, Mincheol Shin|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2013

Semiconductor materials and devices参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、有限なチャネル長を有するシリコンナノワイヤFETにおける表面粗さ制限平均自由行程（MFP）を計算するため、摂動論的でない非平衡グリーン関数（NEGF）法を開発し、入口散乱効果を特定および除去する。主な発見は、MFPは主に次元なしパラメータΔₘ/Wに依存し、臨界遷移点Δₘ/W ≈ 0.06を境に挙動が変化することである：この値未満ではMFPはゲート電場の増加に伴い減少するが、上回ると波動関数の閉じ込め効果によりMFPが増加する。

ABSTRACT

The mean free path (MFP) in silicon nanowire field effect transistors limited by surface roughness scattering (SRS) is calculated with the non-perturbative approach utilizing the non-equilibrium Green's function method. The entrance scattering effect associated with finiteness of the channel length is identified and a method to eliminate it in the calculation of the MFP is developed. The behavior of the MFP with respect to channel length (L), channel width (W), and the root-mean-square (RMS) of the surface roughness is investigated extensively. Our major findings are that the single parameter, RMS/W, can be used as a good measure for the strength of the SRS effects and that the overall characteristics of the MFP are determined by the parameter. In particular, the MFP exponentially decreases with the increase of RMS/W and the MFP versus the gate electric field shows a distinctively different behavior depending on whether the strength of the SRS effects measured by RMS/W is smaller or greater than 0.06.

研究の動機と目的

• 有限なチャネル長を有するSiナノワイヤFETにおける平均自由行程（MFP）を計算するための体系的な手法の開発。
• ソース/チャネル/ドレイン構造に内在する余計な入口散乱効果を特定および除去すること。
• 表面粗さ散乱（SRS）制限MFPが、チャネル長（L）、幅（W）、および平均二乗（RMS）表面粗さ（Δₘ）にどのように依存するかを調査すること。
• ナノワイヤFETにおけるSRS効果の強さを記述する普遍的なスケーリングパラメータを同定すること。

提案手法

• 全周ラッピングゲートを有するSiナノワイヤFETにおけるコherent電子輸送をモデル化するため、3次元非平衡グリーン関数（NEGF）法を用いる。
• 指定されたRMS（Δₘ）および相関長（Lₘ）を有する指数的減衰関数に基づく自己相関関数を用いて表面粗さを生成し、その後、フーリエ変換を用いたランダム化により現実的な界面フラクチュエーションを再現する。
• NEGFとポアソン方程式の自己整合的結合を用いて、電荷密度および電位を計算し、正確な静電的状況を確保する。
• MFPは有効透過係数から抽出され、同一幾何構造だが粗さのない基準系を用いて入口散乱効果を分離・除去する。
• MFPのインバージョン状態とサブスチュリート状態の比に着目し、チャネル幅で正規化する。
• 次元なしパラメータΔₘ/Wを用いて、WおよびΔₘが異なる場合のMFPデータを統合し、普遍的なスケーリングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiナノワイヤFETにおける表面粗さ制限平均自由行程（MFP）は、チャネル幅（W）、チャネル長（L）、およびRMS表面粗さ（Δₘ）にどのように依存するか？
• RQ2 有限長ナノワイヤデバイスにおける入口散乱の役割は何か？ そして、MFP計算からどのように分離・除去できるか？
• RQ3 異なるナノワイヤジオメトリの間で、表面粗さ散乱（SRS）効果の強さを記述する一意の普遍パラメータが存在するか？
• RQ4 SRS強度が増加する際、MFPのゲート電場依存性は、特にサブスチュリートおよびインバージョン状態でどのように変化するか？
• RQ5 強いSRS効果下でMFPがゲート電場に対して非単調に変化する物理的メカニズムは何か？

主な発見

• サブスチュリート状態におけるMFPは、Δₘ/Wの増加に伴い指数関数的に減少し、表面粗さによる輸送の強力な抑制を示している。
• Δₘ/W < 0.06の範囲では、MFPはゲート電場の増加に伴い単調に減少し、従来の散乱挙動と整合する。
• Δₘ/W > 0.06の範囲では、波動関数の閉じ込め効果により電子が感じる有効な表面粗さが減少するため、インバージョン状態におけるMFPはゲート電場の増加に伴い増加する。
• Δₘ/W > 0.06の範囲では、λₐᵣⁱⁿᵥ/λₐᵣˢᵘᵇ > 1 となることが確認され、通常の予想とは反して強いSRSがインバージョン状態でMFPを増大させることを裏付けた。
• パラメータΔₘ/Wは、SRS効果の普遍的スケーリングパラメータとして機能し、WおよびΔₘが異なる場合のMFPデータを統合可能である。
• 臨界閾値Δₘ/W ≈ 0.06は、SRS挙動の定性的な遷移を示し、弱い散乱と強い散乱の領域を分ける。