[논문]SG-TFET와 DG-TFET의 구조에 따른 성능 비교

장호영; 안태준; 유윤섭

SG-TFET와 DG-TFET의 구조에 따른 성능 비교
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장호영 (한경대학교) , 안태준 (한경대학교) , 유윤섭 (한경대학교)

터널링 전계효과 트랜지스터(Tunneling Field-Effect Transistor; TFET) 중에 이중 게이트 TFT(DG-TFET)와 단일 게이트 TFET(SG-TFET)의 구조에 따른 성능 비교를 조사했다. 채널 길이가 30nm 이상, 실리콘 두께 20nm이하, 게이트 절연막 두께는 작아질수록 SG-TFET와 DG-TFET subthrreshold swing과 온 전류 성능이 향상됨을 보였다. 다양한 파라미터에서 DG-TFET의 성능이 SG-TFET 성능보다 향상됨을 보인다.

Performance comparison between Tunneling Field-Effect Transistors (TFETs) was examined when three types of device parameter of double-gate TFET (DG-TFET) and single-gate TFET (SG-TFET) are varied. When the channel length is over 30 nm, silicon thickness is below 20 nm, and a gate insulator thickness decreases, the performance of $I_{on}$ and SS in SG-TFETs and DG-TFETs enhances. It shows that the performance of the DG-TFETs is improved than that of SG-TFETs at three types of device parameter.

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문제 정의

반도체 소자를 이상적인 스위칭 동작이 되는 트랜지스터로 기술 개발하는 목표를 진행하고 있다. 하지만 현재 MOSFET에서는 저전력(lower power)소자화하는데 한계가 있다.

제안 방법

SG-TFET와 DG-TFET를 크게 3가지의 parameter(채널 길이, 실리콘 두께, 게이트 절연막 두께)들로 각각 소자 시뮬레이션하고, 그 분석 결과를 비교해보았다. 그 결과를 보면(그림 7 참고) DG-TFET의 SS와 I_on이 SG-TFET의 것보다 더 좋은 성능을 보임을 알 수 있다.
이미 DG-TFET가 성능이 더 좋은 것으로 알려져 있으나 [4], 구체적으로 어떠한 면에서 좋은지 두 개의 소자를 직접 비교 및 분석한 자료는 없다. 따라서 본 논문에서는 채널 길이(L_g), 실리콘 두께 (T_si), 게이트 절연막 두께(T_ox)의 세 가지 파라미터들을 변화하면서 SG-TFET와 DG-TFET의 성능을 직접 비교 및 분석한다.
이다. 마찬가지로 초기 값으로 만든 기본구조에다가 T_ox값 만 1nm, 2nm, 3nm, 4nm, 5nm, 10nm 로 변화시켜가며 비교 실험을 하였다.
이다. 마찬가지로 초기 값으로 만든 기본구조에다가 T_si값 만 1nm, 5nm, 10nm, 20nm, 50nm, 100nm로 변화시켜 가며 SG-TFET와 DG-TFET의 비교실험을 하였다. 그림 3과 4에서 DG-TFET의 온 전류가 T_si=5nm~50nm까지는 SG-TFET보다 좋으나 T_si=100nm지점에서는 SG-TFET보다 오히려 뒤지는 결과를 볼 수 있었다.
이다. 위에서 임의로 정한 초기 값으로 기본구조를 만들고 L_g값만 1nm, 5nm, 10nm, 30nm, 50nm, 70nm, 100nm로 변화시켜가며 SG-TFET와 DG-TFET의 비교실험을 하였다.
이러한 parameter들을 변화시켜가며 전류전압 특성을 시뮬레이션하고 그 전류-전압 특성으로부터 SS (subthreshold swing), Ion, Ioff, Ion/Ioff 비 등을 추출하였다.

성능/효과

결론적으로, DG-TFET의 SS는 24mV/dec이었던 반면에, SG-TFET의 SS는 35mV/dec으로 SS 측면에서는 평균적으로 10mv/dec만큼 DG-TFET가 좋았으며, I_on측면으로 봤을 경우에도 DG-TFET가 SG-TFET보다 10배가량 더 좋은 것을 알 수 있다.
SG-TFET와 DG-TFET를 크게 3가지의 parameter(채널 길이, 실리콘 두께, 게이트 절연막 두께)들로 각각 소자 시뮬레이션하고, 그 분석 결과를 비교해보았다. 그 결과를 보면(그림 7 참고) DG-TFET의 SS와 I_on이 SG-TFET의 것보다 더 좋은 성능을 보임을 알 수 있다. 결과적으로 이상적인 스위칭 회로에 더욱 더 가까운 소자임을 분명히 알 수 있다.

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