To overcome the limits of conventional MOSFETs, various types of III-V FETs have been considered as a promising replacement for them. III-V heterojunction TFETs, which have a broken/staggered gap, particularly exhibit a steep slope and a comparably higher on-state current in comparison to those of Si TFETs. However, the high trap density at III-V/oxide interfaces is still an obstacle to achieving the desired device performance. To investigate heterojunctions or defects, the effects of individual atoms must be considered, but only limited simulation studies have been conducted by using empirical Hamiltonians. Thus in this thesis, first-principles based device-level simulations were studied. We investigated the performance of GaSb/InAs heterojunction-based UTB TFETs and the effects of trap states on III-V FETs, by performing NEGF quantum transport simulations with DFT Hamiltonians. We found that for relatively short channel devices, (001)/[110] GaSb/InAs exhibits high off-state leakage. To reduce the off-state leakage, we designed (110)/[001] GaSb/InAs which shows superior performance for the short channel devices. Also, we revealed that device performance is significantly affected by types of trap states. As dangling bonds decreas the on-state current of PFETs, As antisites degrade the SS of TFETs.
기존의 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터 (Metal-Oxide-Semiconductor FET: MOSFET)의 한계점을 보완하기 위한 방안으로 III-V FETs 가 주목을 받고 있다. 특히, broken/staggered gap을 가지는 III-V 이종접합 터널링 전계 효과 트랜지스터(Tunnel FET: TFET)은 Si TFET에 비해 높은 on-state current와 steep slope을 가진다. 하지만, 아직까지 삼오족 물질과 옥사이드 계면의 트랩의 영향으로 원하는 소자 성능을 구현하는 데 어려움을 겪고 있다. 이러한 이종접합 또는 트랩의 영향을 분석하기 위해서는 원자 수준의 연구가 필수적이지만, 아직까지 제일원리 계산을 바탕으로 소자의 성능 변화를 분석한 연구는 미비하다. 따라서 본 논문에서는 제일원리 기반의 철저한 계산을 통하여 이상적인 계면을 가진 GaSb/InAs 이종접합을 이용한 TFET 소자와, III-V 물질과 옥사이드 물질 간의 계면 트랩이 여러가지 삼오족 FET 특성에 미치는 영향에 대해 양자 수송 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 GaSb/InAs TFET의 경우 (001)/[110] 방향의 채널 길이가 짧아지면 off-state leakage가 크게 증가함을 확인하였다. 이러한 성능을 개선하기 위하여 소자를 (110)/[001] 방향으로 설계하면, 짧은 채널길이를 가지는 소자의 특성을 개선할 수 있음을 보였다. 또한, InAs/$Al_2O_3$ 계면 사이에 나타나는 트랩의 종류에 따라 Arsenide (As) dangling bond (DB) 는 PFET의 on-state current 값을 감소시키고, As antisite ($As_{In}$)는 TFET의 SS 값을 증가시켜 소자 특성에 치명적인 영향을 미침을 확인하였다.
