Recently, SB-MOSFETs with metallic source/drain have attracted attention as an alternative for the conventional MOSFETs due to their improved scaling property and low parasitics. As metal oxide semiconductor devices shrink down to nanometer regime, quantum mechanical effects is coming up to play an important role in their device performance. In particular, SB-MOSFETs are operated by tunneling current through the Schottky barrier, and thus, in assessing the device performance of SB-MOSFETs, it is of fundamental importance to accurately calculate tunneling current quantum mechanically. In this work, p-type nanowire SB-MOSFETs are simulated based on the k.p method, which is one of well-known methods to describe Si valence band structure, by self-consistently solving the Poisson equation and non-equilibrium Green`s function (NEGF). In this work, we have discussed about basics of SB-MOSFETs such as operating principles in the On- and Off-state, and the ambipolar behavior. The effect of spin-orbit coupling in the valence band is calculated and we found that it is almost negligible in the final I-V characteristics. The uncoupled mode approach is briefly introduced as an analysis tool to know information. The band warping due to coupling of holes is seen in the k.p method, and mode-coupling is absent in the uncoupled mode approach. The short channel effect and high-k gate dielectric effect are finally investigated and the devices show a strong dependence on the transport direction in terms of subthreshold slope, On-state current, threshold voltage shift, and tunneling distance, due to the orientation-sensitive tunneling effective mass, the confinement energy, and the tunneling distance. It would be expected that, the high-k gate dielectric gives performance improvement and the scaling of equivalent oxide thickness is essential in the nano-scaled device to improve their performance.
p형 실리콘 쇼트키 배리어 나노 트랜지스터(SB-pMOSFETs)에서의 양자 전자 수송 특성에 대하여 시뮬레이션을 통해 분석하고 연구 하였다. 일반적인 MOSFET 구조에서 채널 길이 감소는 반도체 소자에 큰 영향을 미치게 된다. 하지만 그 길이가 30nm이하로 줄어들면서 트랜지스터의 구조나 재료에 있어서 한계에 이르게 된다. 한계를 극복하기 위하여 고농도의 실리콘 source, drain(S/D)을 쓰는 대신 메탈 S/D을 이용 하게 되는데, 일반적 MOSFET과는 다른 특성을 나타내게 된다. 또한 n형과는 다르게 실리콘의 방향(Orientation)에 따라 특성이 차이가 나게 되는데 시뮬레이션을 통해서 이를 분석 하였다.
소자의 크기가 수십 나노미터 단위로 줄어들면서 양자적 거동이 나타나면서 양자 효과를 엄밀히 고려한 시뮬레이터가 필요하게 되는데, 이를 위하여 k.p 모델을 기반으로 한 3차원 full quantum NEGF 수송 방정식과 3차원 푸아송 방정식을 self-consistnet 하게 풀어 소자의 특성에 대해서 연구해 보았다.
우선, 기초적인 SB-MOSFETs의 동작 원리 및 SB-MOSFETs의 ambipolar 특성을 시뮬레이션을 통해서 분석 하였고 일반적인 MOSFETs과 다른 수송 특성을 갖는다는것을 확인 할 수 있었다.
소자의 크기가 줄어들면서 spin-orbit coupling이 일어남에 따라서 subband diagram에서 효과가 나타나지만 최종 전류-전압 특성에서는 이를 무시 할 수 있다는것을 확인 하였다. n형 소자와는 다르게 p형 소자에서는 hole들의 상호 작용으로 인해서 band structure가 parabolic하지 않게 되는데 uncoupled mode approach를 통해서 이 효과를 분석하였고 band structure에서 mode간의 coupling효과를 고려하는것이 필수적 이라는것을 알 수 있었다. 단채널 효과(Short channel effect) 및 high-k 게이트 절연체에 대한 효과를 분석하기 위해서 채널 길이에 따른 수송 특성, subthreshold 영역에서의 특성, threshold voltage의 변화, 실리콘 각 방향에 따른 On-state current를 분석 하였다. SB-MOSFETs의 기본적 동작 원리는 쇼트키 배리어를 통과하는 터널링 전류가 중요하기 때문에 터널링에 영향을 미치는 요소, 터널링 유효질량, 터널링 거리, 양자효과에 의한 쇼트키 배리어 상승을 각각 계산 하였다. 결과적으로 채널 수송 방향에 따른 심한 의존성을 보였고 채널 길이가 줄어들 수 있는 한계를 계산 할 수 있었다. high-k를 사용함으로써 소자의 성능은 전체적으로 향상 되지만 실리콘 방향에 따른 특성은 low-k와 동일함을 알 수 있었다.
