[论文解读] Quantum Transport Simulation of III-V TFETs with Reduced-Order K.P Method

Jun Huang, Lining Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2015

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用 4

一句话总结

本论文提出一种结合简化阶数k⋅p方法与非平衡格林函数（NEGF）模拟的高效方法，实现了III-V族隧道场效应晶体管（TFET）的3D量子输运建模。该方法在显著降低计算成本的同时保持了高精度，使InAs同质结和GaSb/InAs异质结纳米线TFET在沟道取向、掺杂、应变及源极凹槽结构等参数上的系统性优化成为可能，其中异质结结构的开启电流最高可达同质结的10倍。

ABSTRACT

III-V tunneling field-effect transistors (TFETs) offer great potentials in future low-power electronics application due to their steep subthreshold slope and large "on" current. Their 3D quantum transport study using non-equilibrium Green's function method is computationally very intensive, in particular when combined with multiband approaches such as the eight-band K.P method. To reduce the numerical cost, an efficient reduced-order method is developed in this article and applied to study homojunction InAs and heterojunction GaSb-InAs nanowire TFETs. Device performances are obtained for various channel widths, channel lengths, crystal orientations, doping densities, source pocket lengths, and strain conditions.

研究动机与目标

• 解决使用八带k⋅p哈密顿量的非平衡格林函数（NEGF）方法在III-V族TFET中进行3D多带量子输运模拟时计算成本过高的问题。
• 开发一种简化阶数k⋅p方法，在大幅降低模拟时间的同时保持高精度，适用于复杂纳米线TFET结构。
• 实现对III-V族TFET在沟道取向、掺杂、应变及异质结构工程等设计参数下的系统性性能优化。
• 通过与紧束缚方法基准对比，验证该方法在预测I-V特性与能带结构方面的准确性。
• 探索在GaSb/InAs异质结TFET中采用源极凹槽与应变等性能增强策略，以实现低功耗应用。

提出的方法

• 构建多点展开的简化阶数k⋅p模型，以替代完整的八带k⋅p哈密顿量，从而减小矩阵规模与计算负载。
• 采用实空间与谱空间混合的矩阵旋转与离散化方法，以在带隙附近保持能带结构的准确性。
• 引入虚假能带消除程序，以去除多点展开引入的非物理能带，确保物理一致性。
• 将简化阶数k⋅p哈密顿量与非平衡格林函数（NEGF）形式主义相结合，用于量子输运模拟。
• 对栅极全环绕的InAs与GaSb/InAs纳米线TFET进行模拟，参数涵盖不同截面、取向与器件结构。
• 通过与紧束缚模拟结果对比带结构与I-V曲线，开展基准测试，以验证方法的准确性与效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不牺牲精度的前提下降低III-V族TFET中3D多带量子输运模拟的计算成本？
• RQ2 在InAs纳米线TFET中，哪种最优晶体取向（[100]、[110]、[111]）可最大化开启电流与缩放性能？
• RQ3 源极凹槽掺杂与异质结工程如何影响GaSb/InAs TFET的开启电流与亚阈值摆幅？
• RQ4 单轴应变对不同晶体取向的异质结TFET性能有何影响？
• RQ5 与紧束缚方法相比，简化阶数k⋅p方法能否准确再现复杂TFET的I-V特性与能带结构？

主要发现

• [111]晶体取向在InAs同质结TFET中展现出最佳的截面缩放能力，使窄纳米线中的性能更优。
• 由于有利的阶梯式能带对齐降低了隧穿势垒高度与距离，异质结GaSb/InAs TFET的开启电流约为同质结InAs TFET的10倍。
• 源极凹槽掺杂可使开启电流提升高达200 μA/μm，最优凹槽长度约为4 nm，超过此长度后性能趋于饱和或下降。
• 单轴压缩应变在[100]取向中对提升开启电流效果最显著，而在[111]取向中则因有效质量增加导致性能下降。
• 简化阶数k⋅p NEGF方法在显著降低模拟时间的同时，实现了与全阶数k⋅p或紧束缚方法相当的带结构与I-V预测精度。
• 虚假能带消除程序成功去除了多点展开引入的非物理能带，确保了模拟结果的可靠性。