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초록
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본 연구에서는 TCAD 시뮬레이션을 이용하여 4가지 터널링 전계효과 트랜지스터(Tunnel Field-Effect Transistors; TFETs) 구조에 따른 특성을 조사하였다. 단일게이트 TFET(SG-TFET), 이중게이트 TFET(DG-TFET), L-shaped TFET(L-TFET), Pocket-TFET(P-TFET)의 4가지 TFET를 유전율과 채널 길이를 변화함에 따라서 드레인 전류-게이트전압 특성을 시뮬레이션해서 문턱전압이하 스윙(Subthreshold Swing; SS)과 구동 전류(On-current)면에서 비교하였다. 고유전율을 가지며 라인 터널링을 이용하는 L-TFET 구조와 P-TFET 구조가 포인트 터널링을 이용하는 SG-TFET와 DG-TFET보다 구동전류면에서 10배 이상 증가하였고, SS면에서 20 mV/dec이상 감소하였다. 특히, 고유전율을 가진 P-TFET의 주 전류 메카니즘이 포인트 터널링에서 라인터널링으로 변화하는 험프현상이 사라지면서 SS가 매우 향상되는 것을 보였다. 4가지 TFET 구조의 분석을 통해 포인트터널링을 줄이고 라인터널링을 강조하는 새로운 TFET 구조의 가이드 라인을 제시한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Using TCAD simulation, performances of tunnel field-effect transistors (TFETs) was investigated. Drain current-gate voltage types of TFET structure such as single-gate TFET (SG-TFET), double-gate TFET (DG-TFET), L-shaped TFET (L-TFET), and Pocket-TFET (P-TFET) are simulated, and then as dielectric c...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • This research was supported by the Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTI) (Project No.10054888) and the Korea Semiconductor Research Consortium (KSRC) support program for the development of future semiconductor devices. This work was supported by IDEC (EDA Tool).
  • 본 논문에서는 SG-TFET, DG-TFET, L-TFET,P-TFET 구조에 대해서 TCAD(Technology ComputerAided-Design) 시뮬레이션을 통해서 종합적으로 성능을 비교 분석하고 새로운 구조의 가이드라인을 제시하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
MOSFET은 근본적인 물리적 한계를 가지고 있는데 그 중 심각한 것은 무엇인가? 이러한 문제를 해결하기 위해서 게이트 유전막을 기존의 이산화규소(SiO2)보다 고유전율(high-k)을 갖는 물질로 대체하는 고유전율 기술, 3차원구조의 FinFET기술 등이 있다[2]. 하지만 이런 기술이 있음에도 불구하고 MOSFET은 근본적인 물리적 한계를 가지고 있으며 그 중 심각한 것 중의 하나는 문턱전압(threshold voltage; Vth) 이하의 기울기(Subthreshold Swing; SS)가 상온에서 60 mV/dec 이하로 낮아 질 수 없는 물리적 한계에 도달하게 되었다[3]. 이를 극복하기 위해서 양자역학적인 현상인 밴드에서 밴드로 터널링 현상을 활용한 터널링 전계효과 트랜지스터(Tunnel Field-Effect Transistors; TFET)에 대해 활발히 연구가 진행되고 있다[4].
TFET는 어떠한 터널링 현상이 발생하는가? TFET는 가전도대에 있는 전자들이 전기장 영향에 의해 에너지 장벽을 뚫고 전도대로 이동하는 밴드간(Band-to-Band) 터널링 현상이 발생한다. 그림 2의 에너지 밴드 다이어그램에서 보여진 것처럼 터널링에는 포인트 터널링(point tunneling)과 라인터널링의 2가지 방법이 존재한다.
단채널 효과의 심화 및 미세공정의 어려움을 해결하기 위한 기술을 무엇인가? 그러나 반도체 공정 기술의 발전에 따라서 반도체소자의 크기는 급속하게 줄어들게 되었지만, 현재 단채널 효과(short-channel effects)의 심화 및 미세공정의 어려움 등 이 심각한 문제로 대두되고 있다[1]. 이러한 문제를 해결하기 위해서 게이트 유전막을 기존의 이산화규소(SiO2)보다 고유전율(high-k)을 갖는 물질로 대체하는 고유전율 기술, 3차원구조의 FinFET기술 등이 있다[2]. 하지만 이런 기술이 있음에도 불구하고 MOSFET은 근본적인 물리적 한계를 가지고 있으며 그 중 심각한 것 중의 하나는 문턱전압(threshold voltage; Vth) 이하의 기울기(Subthreshold Swing; SS)가 상온에서 60 mV/dec 이하로 낮아 질 수 없는 물리적 한계에 도달하게 되었다[3].
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참고문헌 (14)

  1. International Technology Roadmap for Semiconductors [Online]. Available: http://www.itrs.net/ 

  2. D. Hisamoto, W. -C. Lee, J. Kedzierski, H. Takeuchi, K. Asano, C. Kuo, E. Anderson, T.-J. King, J. Bokor, C. Hu, "FinFet- a self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20nm," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 47, no. 12, pp. 2320-2325, Dec. 2000. 

  3. K. Gopalakrishnan, P. B. Griffin, J. D. Plummer, "I-MOS:a novel semiconductor device with a subthreshold slope lower than kT/q," in IEDM Tech. Dig, 2002, pp. 289. 

  4. M. J. Lee and W. Y. Choi, "Analytical model of single-gate silicon-on-insulator (SOI) tunneling field-effect transistors (TFETs)," Solid State Electron., vol. 63, no. 1, pp. 110-114, Sept. 2011. 

  5. P. -F. Wang, K. Hilsenbeck, T. Nirschl, M. Oswald, C. Stepper, M. Weiss, D.Schmitt-Landsiedel, and W. Hansch, "Complementary tunneling transistor for low power applications," Solid State Electron., vol. 48, no. 12, pp. 22812286, May 2004. 

  6. M. Gholizadeh, S. E. Hosseini, "A 2-D Analytical Model for Double-Gate Tunnel FETs," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 61, no. 5, pp. 1494-1500, May 2014. 

  7. S. W. Kim, W. Y. Choi, H. Kim, M. C. Sun, H. W. Kim, and B. G. Park, "Investigation on hump effects of L-shaped tunneling field transistors," in Silicon Nanoelectronics Workshop, 2012, pp. 169-170. 

  8. R. Jhaveri, V. Nagavarapu, and J. C. S. Woo, "Effect of Pocket Doping and Annealing Schemes on the Source- Pocket Tunnel Field-Effect Transistor," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 58, no. 1, pp. 80-86, Jan. 2011. 

  9. U. E. Avci, D. H. Morris, and I. A. Young, "Tunnel field-effect transistors: Prospects and challenges," IEEE Journal of the Electron Devices Society vol. 3, no. 3, pp.88-95, May 2015. 

  10. H. Lu and A. Seabaugh, "Tunnel field-effect transistors: state-of-the-art," IEEE Journal of the Electron Devices Society vol. 2, no. 4, pp.44-49, July 2014. 

  11. S. W. Kim, W. Y. Choi, M.-C.l Sun, H. W. Kim and B.-G. Park, "Design Guideline of Si-Based L-shaped Tunneling Field-Effect Transistors," Jpn. J. Appl. Phys. vol. 51, no. 6S, pp. 06FE09, June 2012. 

  12. Atlas User''s Manual, DEVICE SIMULATION SOFTWARE, Silaco. Inc, November 7, 2014. 

  13. C. Shen, L.-T. Yang, G. Samudra, Y.-C. Yeo, "A new robust non-local algorithm for band-to-band tunneling simulation and its application to Tunnel-FET," in Solid-State Electronics, vol 57, no. 1, pp.23-30, March 2011. 

  14. W. G. Vandenberghe, A. S.Verhulst, G. Groeseneken, B. Soree, and W. Magnus, "Analytical model for point and line tunneling in a tunnel field-effect transistor," in Proceeding of International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD), 2008, pp. 137-140. 

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