[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究提出一种非微扰非平衡格林函数（NEGF）方法，用于计算具有有限沟道长度的硅纳米线场效应晶体管中由表面粗糙度限制的平均自由程（MFP），并识别和消除了入口散射效应。关键发现是，MFP主要取决于无量纲参数Δₘ/W，在Δₘ/W ≈ 0.06处存在临界转变：低于该值时，MFP随栅极电场增加而减小；高于该值时，由于波函数局域化效应，MFP反而随栅极电场增加而增大。

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.

研究动机与目标

• 开发一种系统化方法，用于计算具有有限沟道长度的硅纳米线场效应晶体管中的平均自由程（MFP）
• 识别并消除源/沟道/漏极结构中固有的寄生入口散射效应
• 研究由表面粗糙度散射（SRS）限制的MFP对沟道长度（L）、宽度（W）和均方根（RMS）表面粗糙度（Δₘ）的依赖关系
• 确定纳米线场效应晶体管中SRS效应的通用标度参数

提出的方法

• 采用三维非平衡格林函数（NEGF）方法，模拟具有全环绕栅极的硅纳米线场效应晶体管中的相干电子输运
• 利用指定RMS（Δₘ）和相关长度（Lₘ）的指数衰减自相关函数生成表面粗糙度，随后通过傅里叶方法进行随机化处理，以生成真实的界面涨落
• 通过NEGF与泊松方程的自洽耦合计算电荷密度和电势，确保静电场的准确性
• 从有效透射系数中提取MFP，并通过一个几何结构相同但无粗糙度的参考系统，将入口散射效应分离并去除
• 分析在反型与亚阈值区域中MFP的比值，并以沟道宽度进行归一化
• 使用无量纲参数Δₘ/W将不同W和Δₘ下的MFP数据进行归一化，实现通用标度

实验结果

研究问题

• RQ1 在硅纳米线场效应晶体管中，由表面粗糙度限制的平均自由程（MFP）如何依赖于沟道宽度（W）、沟道长度（L）和均方根表面粗糙度（Δₘ）？
• RQ2 在有限长度纳米线器件中，入口散射起什么作用？如何将其从MFP计算中分离并去除？
• RQ3 是否存在一个单一的通用参数，可描述不同纳米线几何结构中表面粗糙度散射（SRS）效应的强度？
• RQ4 随着SRS强度的增加，MFP对栅极电场的依赖关系如何变化，特别是在亚阈值和反型区域？
• RQ5 什么物理机制可以解释在强SRS效应下MFP随栅极电场呈现非单调行为？

主要发现

• 在亚阈值区域，MFP随Δₘ/W增加呈指数下降，表明表面粗糙度对输运有强烈抑制作用
• 当Δₘ/W < 0.06时，MFP随栅极电场增加而单调减小，符合传统散射行为
• 当Δₘ/W > 0.06时，由于波函数局域化效应降低了电子感受到的有效表面粗糙度，反型区域的MFP随栅极电场增加而增大
• 当Δₘ/W > 0.06时，反型区域与亚阈值区域的MFP比值λₐᵣⁱⁿᵥ/λₐᵣˢᵘᵇ > 1，证实强SRS导致反型区域MFP增强，与通常预期相反
• 参数Δₘ/W可作为SRS效应的通用标度参数，将不同W和Δₘ值下的MFP数据统一归一化
• 临界阈值Δₘ/W ≈ 0.06标志着SRS行为的定性转变，将弱散射与强散射区域分隔开