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심언성,안태준,유윤섭,Shim, Un-Seong,Ahn, TaeJun,Yu, YunSeop 한국정보통신학회 2017 한국정보통신학회논문지 Vol.21 No.5
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. 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 constant of gate oxide and channel length are varied their subthreshold swing (SS) and on-current ($I_{on}$) are compared. On-currents and subthreshold swings of the L-TFET and P-TFET structures with high electric constant and line tunneling were 10 times and 20 mV/dec more than those of the SG-TFET and DG-TFET using point tunneling, respectively. Especially, it is shown that hump effect which dominant current element changes from point tunneling to line tunneling, is disappeared in P-TFET with high-k gate oxide such as $HfO_2$. The analysis of 4 types of TFET structure provides guidelines for the design of new types of TFET structure which concentrate on line tunneling by minimizing point tunneling.
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Si, Ge과 Si-Ge Hetero 터널 트랜지스터의 라인 터널링과 포인트 터널링에 대한 연구
이주찬,안태준,심언성,유윤섭,Lee, Ju-chan,Ann, TaeJun,Sim, Un-sung,Yu, YunSeop 한국정보통신학회 2017 한국정보통신학회논문지 Vol.21 No.5
TCAD 시뮬레이션을 이용하여 소스 영역으로 오버랩된(Overlapped) 게이트를 가진 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)과 실리콘-게르마늄(Si-Ge) Hetero 터널 전계효과 트랜지스터(Tunnel Field-Effect Transistor; TFET)의 터널링 전류 특성을 분석하였다. $SiO_2$를 산화막으로 사용한 Si-TFET의 경우에 포인트와 라인 터널링이 모두 나타나서 험프(Hump) 현상이 나타난다. Ge-TFET는 구동전류가 Si-TFET보다 높으나 누설전류가 높고 포인트 터널링이 지배적으로 나타난다. Hetero-TFET의 경우에 구동전류가 높게 나타나고 누설전류는 나타나지 않았으나 포인트 터널링이 지배적으로 나타난다. $HfO_2$를 산화막으로 사용한 Si-TFET의 경우에 라인 터널링의 문턱전압(threshold voltage)이 감소하여 라인 터널링만 나타난다. Ge과 Hetero-TFET의 경우에 포인트 터널링의 문턱전압이 감소하여 포인트 터널링에 의해 동작되며 Ge-TFET는 누설전류가 증가하였고, Hetero-TFET에서 Hump가 나타난다. The current-voltage characteristics of Silicon(Si), Germanum(Ge), and hetero tunnel field-effect transistors(TFETs) with source-overlapped gate structure was investigated using TCAD simulations in terms of tunneling. A Si-TFET with gate oxide material $SiO_2$ showed the hump effects in which line and point tunneling appear simultaneously, but one with gate oxide material $HfO_2$ showed only the line tunneling due to decreasing threshold voltage and it shows better performance than one with gate oxide material $SiO_2$. Tunneling mechanism of Ge and hetero-TFETs with gate oxide material of both $SiO_2$ and $HfO_2$ are dominated by point tunneling, and showed higher leakage currents, and Si-TFET shows better performance than Ge and hetero-TFETs in terms of SS. These simulation results of Si, Ge, and hetero-TFETs with source-overlapped gate structure can give the guideline for optimal TFET structures with non-silicon channel materials.
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