[论文解读] Design and Analysis of High Frequency InN Tunnel Transistors

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

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于量子隧穿效应与经典输运理论的高频n型InN隧道场效应晶体管（TFET），适用于太赫兹（THz）应用。其电流增益截止频率达到创纪录的约460 GHz，跨导高达2 mS/µm，且在更高漏极偏压下栅漏电容减小，实现了超高速运行。

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.

研究动机与目标

• 解决太赫兹（THz）频段应用中对高速、低功耗晶体管的需求。
• 克服传统硅基FET在超过100 GHz频段难以实现高性能的局限性。
• 利用氮化铟（InN）独特的电子特性，实现超高频运行。
• 分析并缓解高度掺杂InN结中的栅漏电容与雪崩击穿问题，以提升射频性能。
• 对InN中的雪崩击穿进行定量分析，与Si和InAs进行比较，以评估其可靠性。

提出的方法

• 基于量子隧穿理论的基本原理，建立异质结势垒中隧穿电流的模型。
• 结合经典载流子输运模型，模拟InN沟道中的电子输运行为。
• 设计环绕栅极或类似环绕栅极的结构，以增强静电控制并降低寄生电容。
• 采用数值仿真评估射频性能指标，包括跨导和电流增益截止频率。
• 利用泊松方程与碰撞电离理论，分析高度掺杂InN结中的雪崩击穿机制。
• 将InN的击穿特性与Si和InAs进行对比，评估其在高频应用中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于InN的隧道FET能否实现超过400 GHz的电流增益截止频率？
• RQ2 InN隧道FET中栅漏电容如何随漏极偏压变化？是否可进一步减小以提升高频性能？
• RQ3 高度掺杂InN结中的雪崩击穿程度与机制，与Si和InAs相比有何差异？
• RQ4 InN的高电子迁移率与窄带隙在多大程度上提升了隧道FET的射频性能？
• RQ5 InN中的量子隧穿是否能在太赫兹频率下同时实现高跨导与低功耗？

主要发现

• InN隧道FET实现了约460 GHz的电流增益截止频率，表明其在太赫兹应用中具有巨大潜力。
• 实现了高达2 mS/µm的跨导，证明了优异的栅极控制能力与电流调制性能。
• 在更高漏极偏压下观察到栅漏电容显著降低，从而改善了高频性能。
• 首次对高度掺杂InN中的雪崩击穿进行了定量分析，结果表明其特性与Si和InAs有明显不同。
• 由于高隧穿电流与低寄生电容的协同作用，器件表现出优异的射频性能。
• 结果表明，InN是下一代高速、低功耗晶体管在Si和III-V族材料之外的有前途替代方案。