Shrink of modern electronic devices has attracted great attention to nanoengineered materials such as nanowires, and superlattices since their remarkable features were reported in the electronic and thermal points of view, respectively. Despite of the higher interests, inaccurate models have been still applied for nanosystems. Typically, parabolic effective mass model does not take into account strong quantization effects in nanostructures. Fourier law, the most popular in thermofluid field, also has a difficulty to describe heat transfer in those systems, particularly across heterojunctions. For their limitations, necessity for more rigorous theories has been come to the fore and such theories are mostly based on atomic-level modeling and strict carrier transport physics. In this thesis, ballistic transport properties of electron and phonon in nanoengineered materials are investigated by using atomistic-level description and quantum transport theory.
This thesis is divided into two parts. The former part of this thesis is written in terms of electronic devices. Bandstructures of ultra-thin-body (UTB) and nanowire (NW) are achieved by empirical $sp^{3}d^{5}s^{*}$-SO tight-binding method one of the well-known atomistic models for energy band theory. Through the results of 20 orbitals tight-binding calculations, effective mass Hamiltonians are calibrated and quantization effects are compensated. Quantum transport properties of UTB MOSFETs with Schottky-Barrier (SB) at two contacts are described by using non-equilibrium Green`s function (NEGF) formalism in ballistic transport regime. Specifically, I-V characteristics of UTB SB-MOSFETs are obtained by self-consistent calculations of NEGF equation and Poisson equation. Furthermore, channel material engineering is attempted to explore the best III-V material for switching devices. III-V materials such as GaAs suffer from insufficient density of states in nanosystems, which is the main culprit of III-V device degradations. The phenomenon is called density of state (DOS) bottleneck problem and discussed in-depth. Lastly, for enhancement of I-V characteristics, we simulate (111)/[$\bar{1}$10] oriented UTBs as well as (100)/[001] oriented UTBs with various III-V channels.
Thermal properties in Si devices are as important as electronic properties due to a few issues such as self-heating. To investigate the features, phonon transmission of Si bulk is calculated with atomistic description and quantum transport in the latter part of this work. Valence force field method is chosen as dispersion model because it uses an atomic grid and can reproduce bulk $E-q$ relation of a wide range of thermoelectric materials. Transmissions are calculated in the framework of NEGF formalism when all scattering effects are neglected. Furthermore, as its application, heat transfer across heterostructures is also observed. Si-based thermoelectric devices has lower conductivity issue, which may be solved by inserting dissimilar barriers into Si bulk. Specifically, the treated heterostructures are composed of base material, Si, and implanted PtSi layers. The silicide atoms are regarded as Si-isotope for simply implementing heterolayers. To adding physical ground, dispersion of phonon for the silicide is tuned with reference to sound velocity obtained from a first principle method. Moreover, in a practical point of view, embedded interfaces between Si and silicide are handled by taking the assumption that atoms at the interfaces are always bonded with the same strength. The resultant transmission and thermal conductance are analyzed strictly.
지난 수십여년간 금속-산화막-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFETs)와 같은 현재의 전자 소자의 크기가 점점 줄어듦에 따라 나노구조로 이루어진 소자 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 초박막 구조, 양자선 구조, 초격자 구조와 같은 나노규모로 이루어진 소자들은, 벌크 대비 뛰어난 특성과 성능을 보인다고 알려져 있다. 이러한 관심과는 별개로, 산업계에서는 나노소자를 정확히 모사할 수 없는 모델들을 여전히 범용적으로 이용하고 있는 현실이다. 가장 널리 쓰이는 방법으로서, 전자의 에너지 밴드 구조를 기술하는 유효질량법(PEM)은 나노구조의 양자제한효과를 정확히 설명할 수 없다. 또한 열유체 분야에서 널리 쓰이는 푸리에 법칙 역시 이종접합을 포함한 초격자와 같은 구조에서는 열의 흐름과 분포를 정확히 설명하지 못한다. 따라서 나노구조에 대한 정확한 전산모사를 수행하기 위해서는 주어진 시스템을 원자수준에서 모사해야 하며, 나노 구조에서의 전자의 포논의 움직임을 양자역학적 수송 이론에 기반하여 계산하여야 한다.
본 연구는 원자수준 모델을 기반으로 전기와 열, 두 개의 관점으로 나누어 수행되었다. 본 논문의 전반부에서는 s, p, d, s*, 10 개의 오비탈과 스핀작용을 고려한 실증적 원자 속박 모델(empirical tight-binding model)을 통하여 초박막 구조 및 양자선 구조에 대한 에너지 밴드를 계산한다. 계산된 에너지 밴드는 전자의 수송을 계산하는데 쓰이는 유효 질량 해밀토니안을 교정하고, 양자제한효과로 인해 변한 에너지를 보정해준다. 본 연구에서는 비평형 그린 함수법(NEGF)을 통하여 금속 소오스와 드레인을 갖는 초박막(UTB) 쇼트키 배리어(SB) MOSFETs 구조에 대한 전자 수송 특성을 계산하고 분석한다. 구체적으로 UTB SB-MOSFETs 의 전류- 전압 특성은 비평형 그린 함수와 포아송 방정식의 상호 모순 없는 계산을 통하여 얻어진다. 또한 다양한 3-5족 물질을 시뮬레이션하여 탄도 수송 가정하에서 스위칭 소자로서 뛰어난 특성을 보이는 물질을 찾아낸다. 사실 3-5족 물질은 작은 유효질량과 높은 이동도 등의 좋은 특성을 가짐에도 불구하고 나노구조에서 부족한 상태밀도 때문에 특성 열화가 발생하는데, 이 또한 심도 있게 다루어진다. 마지막으로 UTB 의 방향을 회전하여 SB-MOSFETs 의 전류- 전압 특성의 변화를 관찰한다.
현대 전자 소자에서는 전기적 특성 뿐만 아니라 self-heating과 같은 열 관련 이슈들도 상당한 골칫거리로 알려져 있다. 본 논문의 후반부에서는 벌크 실리콘에서의 열전달을 원자 속박 모델과 같은 수준의 Valence Force Field (VFF)라는 방법과 비평형 그린함수법을 이용하여 계산한다. 또한 이것의 응용으로서, 벌크 실리콘에 dissimilar 배리어를 삽입한 이종접합구조에서의 열전도도 감소를 계산하고 분석한다. 구체적으로 이종접합구조는 실리콘에 실리사이드 층이 삽입된 구조로 이루어져 있다. 실리사이드 물질은 orthorhombic 구조를 갖는 것으로 알려져 있으나 계산을 단순화하여 실리콘의 동위원소로 가정하고 원자수준에서 포논 분산을 계산한다. 이 가정의 오류를 보정하기 위해 열적 특성에서 가장 중요한 실리사이드의 음파 속도를 재현할 수 있도록 포논 분산이 조정된다. 실리콘과 실리사이드 계면에서는 원자 매칭이 매우 어려우므로, 현실적인 방안으로서 계면에서의 비이상적 효과가 없다는 가정 하에 시뮬레이션을 수행한다. 포논의 전달 특성은 전자의 경우와 마찬가지로 비평형 그린함수법을 통해 탄도 수송만 일어난다는 가정 하에 계산된다.
