NEGF Based Analytical Modeling of Advanced MOSFETs

Abstract

La corrent túnel de font a drenador (SD) disminueix el rendiment dels dispositius MOSFETs quan la longitud del canal cau per sota de 10 nm. La modelització dels efectes quàntics incloent la corrent túnel SD ha guanyat més importància especialment per als desenvolupadors de models compactes. La funció de Green de no equilibri (NEGF) s'ha convertit en un mètode de l'estat-de-art per a la simulació a nano-escala dels dispositius en els últims anys. En el sentit d'un enfocament de simulació a escala múltiple és necessari tancar la bretxa entre els models compactes amb el seu càlcul ràpid i eficient del corrent, i els models numèrics que consideren els efectes quàntics dels dispositius de nano escala . En aquest treball, s'introdueix un model analític basat en NEGF pels MOSFETs de doble comporta (DG) de nano-escala i FETs d'efecte túnel. El model consisteix en una solució del potencial de forma tancada a partir d'un model compacte clàssic i un formalisme NEGF 1D per al càlcul del corrent, tenint en compte els efectes quàntics. El càlcul del potencial omet l'acoblament iteratiu, la qual cosa permet el càlcul directe del corrent. El model es basa en un enfocament balístic del mètode NEGF on els efectes de la retro-dispersió es consideren com de segon ordre de manera simplificada. La precisió i escalabilitat del model no iteratiu per a DG MOSFET s'inspecciona en comparació de dades numèriques de simulacions TCAD nanoMOS per a longituds de canal des de 6 nm fins a 30 nm. Amb l'ajuda d'aquest model es realitzen recerques sobre els efectes de canal curt i de la temperatura. Els resultats del model analític de FET-túnel es verifiquen amb dades numèriques provinents de simulacions TCAD Sentaurus.

La corriente túnel de fuente a drenador (SD) disminuye el rendimiento de los dispositivos MOSFETs cuando la longitud del canal cae por debajo de 10 nm. La modelización de los efectos cuánticos incluyendo la corriente túnel SD ha ganado más importancia especialmente para los desarrolladores de modelos compactos. La función de Green de no equilibrio (NEGF) se ha convertido en un método del estado-de-arte para la simulación a nano-escala de los dispositivos en los últimos años. En el sentido de un enfoque de simulación a escala múltiple es necesario cerrar la brecha entre los modelos compactos con su cálculo rápido y eficiente de la corriente, y los modelos numéricos que consideran los efectos cuánticos de los dispositivos de nano escala . En este trabajo, se introduce un modelo analítico basado en NEGF para los MOSFETs de doble compuerta (DG) de nano-escala y FETs de efecto túnel. El modelo consiste en una solución del potencial de forma cerrada a partir de un modelo compacto clásico y un formalismo NEGF 1D para el cálculo de la corriente, teniendo en cuenta los efectos cuánticos. El cálculo del potencial omite el acoplamiento iterativo, lo que permite el cálculo directo de la corriente. El modelo se basa en un enfoque balístico del método NEGF donde los efectos de la retro-dispersión se consideran como de segundo orden de manera simplificada. La precisión y escalabilidad del modelo no iterativo para DG MOSFET se inspecciona en comparación con datos numéricos de simulaciones TCAD nanoMOS para longitudes de canal desde 6 nm hasta 30 nm. Con la ayuda de este modelo se realizan investigaciones sobre los efectos de canal corto y de la temperatura. Los resultados del modelo analítico de FET-túnel se verifican con datos numéricos provenientes de simulaciones TCAD Sentaurus.

Source-to-drain (SD) tunneling decreases the device performance in MOSFETs falling below the 10 nm channel length. Modeling quantum mechanical effects including SD tunneling has gained more importance specially for compact model developers. The non-equilibrium Green's function (NEGF) has become a state-of-the-art method for nano-scaled device simulation in the past years. In the sense of a multi-scale simulation approach it is necessary to bridge the gap between compact models with their fast and efficient calculation of the device current, and numerical device models which consider quantum effects of nano-scaled devices. In this work, a NEGF based analytical model for nano-scaled double-gate (DG) MOSFETs and Tunneling-FETs is introduced. The model consists of a closed-form potential solution of a classical compact model and a 1D NEGF formalism for calculating the device current, taking into account quantum mechanical effects. The potential calculation omits the iterative coupling and allows the straightforward current calculation. The model is based on a ballistic NEGF approach whereby backscattering effects are considered as second order effect in a closed-form. The accuracy and scalability of the non-iterative DG MOSFET model is inspected in comparison with numerical nanoMOS TCAD data for channel lengths from 6 nm to 30 nm. With the help of this model investigations on short-channel and temperature effects are performed. The results of the analytical Tunneling-FET model are verified with numerical TCAD Sentaurus simulation data.