In recent years, a lot of progress in understanding the device physics of carbon nanotube field-effect transistors and in finding their potential applications has been made. In a carbon nanotube, the transport is nearly ballistic across distances of hundreds of nanometers since the scattering in such a ID structure is quite weak. Moreover, the perfect atomic structure allows deposition of high- $\kappa$ gate insulators, and the direct band gap also enables optical emission. Due to these attractive points, carbon nanotube field-effect transistors, where the carbon nanotube is used as a conducting channel, are being considered as one of candidates for future electronic devices.
In this thesis, a quantum mechanical simulator for carbon nanotube transistors using the nonequilibrium Green's function (NEGF) formalism to treat ballistic transport with self-consistent electrostatics has been developed. To understand how the NEGF formalism can be applied to simulate nanoscale devices and how the Schottky Barrier (SB) transistors operate, the Schottky Barrier tunnel transistors are first investigated, and then three types of carbon nanotube electronic devices, Schottky Barrier, MOSFET-like, and p-i-n carbon nanotube transistors, are explored.
The Schottky Barrier tunnel transistors were successfully simulated using the NEGF formalism, and it was suggested that the channel length of the Schottky Barrier tunnel transistors can be reduced to about 10 nm without substantial loss in performance in terms of threshold voltage and transistor gain. The carbon nanotube field-effect transistors (CNTFETs) with Schottky contact between the source/drain and the nanotube channel (SB CNTFETs) were examined to show that the ambipolar conduction which leads to large leakage currents is found to be an important factor that determines the device characteristics. Several techniques to suppress the ambipolar conduction in the SB CNTFETs were suggested, and the scaling behaviors of SB CNTFETs with respect to the decrease of both channel length and dielectric thickness were comprehensively compared with those of MOSFET-like and p-i-n CNTFETs. The channel length of the MOSFET-like CNTFETs can be scaled down below 5 nm with fairly good performance while that of SB and p-i-n CNTFETs may be reduced to 5∼10 nm.
카본 나노튜브 트랜지스터의 물리적 특성을 이해하고 이를 이용할 수 있는 방법을 찾는 것에 대한 많은 연구가 최근에 이루어져 왔다. 카본 나노튜브는 산란 (scattering) 이 매우 약한 ID 구조이기 때문에 전하의 수송이 수백 나노미터에 걸쳐 거의 탄도적 (ballistic) 으로 일어난다. 또한 완벽한 원자 구조를 가지고 있어 고유전상수 (high- $\kappa$ ) 의 게이트 절연체를 사용할 수 있게 하며 직접 밴드 갭 (direct band gap) 을 가지고 있어 광학적 응용도 용이하다. 이러한 장점들 때문에 카본 나노튜브가 전도채널로 사용된 카본 나노튜브 트랜지스터는 미래 전자소자의 대안 중 하나로 생각되고 있다.
본 연구에서는 카본 나노튜브 트랜지스터에 대한 양자 역학적 시뮬레이터 를 개발하였는데 비평형 함수 방법론 (nonequilibrium Green's function) 과 상호 모순없는 정전기학 (self-consistent electrostatics) 을 이용하여 탄도수송을 다루었다. 비평형 함수 방법론을 나노 전자소자의 시뮬레이션에 어떻게 적용할 수 있는지 알아보고 쇼트키 장벽 트랜지스터의 동작 원리를 알아보기 위해 먼저 쇼트키 장벽 터널 트랜지스터를 시뮬레이션 하여 보고, 그 다음 세 가지 종류의 카본 나노튜브 트랜지스터, 쇼트키 장벽, MOSFET-like, p-i-n 카본 나노뷰트 트랜지스터, 의 소자 특성을 분석한다.
쇼트키 장벽 터널 트랜지스터의 소자 특성이 비평형 함수 방법론을 사용하여 성공적으로 계산되었으며 문턱전압 (threshold voltage) 과 트랜지스터 이득 (transistor gain) 의 분석을 통해 선폭 (channel length) 이 10 nm 까지 줄어들 수 있음을 예측하였다. 소오스/드레인과 나노튜브 채널 사이에 쇼트키 장벽을 가지고 있는 쇼트키 장벽 카본 나노튜브 트랜지스터에서는 큰 누설전류를 야기하는 양극화 전도 (ambipolar conduction) 가 소자의 특성을 결정짓는 중요한 요소임을 확인하였고 이를 억제할 수 있는 몇 가지 방법들을 제안하였다. 또한 쇼트키 장벽 카본 나노튜브 트랜지스터의 선폭과 게이트 절연체 두께 (dielectric thickness) 를 감소시켰을 때 나타나는 스케일링 특성을 다른 두 가지 종류의 카본 나노튜브 트랜지스터 (MOSFET-like, p-i-n 카본 나노튜브 트랜지스터) 의 그것과 비교하였으며, 쇼트키 장벽과 p-i-n 카본 나노튜브 트랜지스터의 경우 선폭을 5∼10 nm 까지 줄일 수 있는 반면 MOSFET-like 카본 나노튜브 트랜지스터의 선폭은 5 nm 이하로 줄여도 우수한 소자 특성을 유지할 수 있음을 발견하였다.
