JP6083704B2 - トンネルfetのデバイスシミュレーション方法及びシステム並びにトンネルfetのコンパクトモデル設計方法及びコンパクトモデル - Google Patents
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Description
G=A・Enonlp・exp(−B/Enonl)
(但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータ)に基づいて演算する。
G=A・Enonlp・exp[−L/(EG/B)]
(但し、A、B及びp は半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータ)に基づいて演算することができる。
G=A・Enonlp・exp(−B/Enonl)
(但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータであり)に基づいて演算する。
G=A・Enonlp・exp[−L/(EG/B)]
(但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータ)に基づいて演算することができる。
G=A・Enonlp・exp[−L/(EG/B)]
(但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータ)に基づいて演算することができる。
G=A・Enonlp・exp[−L/(EG/B)]
(但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータであり、Enonlpは非局所電界であり)に基づいて演算することができる。
最初に、図面を参照して本発明のデバイスシミュレーション・システム及びデバイスシミュレーション方法の実施の形態を説明する。トンネルFETはトランジスタのオン・オフ動作に、ゲートソースオーバーラップ領域で起きるバンド間トンネル現象を利用している。図1はN型のTFETの模式図である。トンネルFETは、通常のCMOSと異なり、ソースに逆極性のP+層を設けている。エネルギバンド図に示すように、ゲート電圧でチャネルのバンド位置を下げると、ソース端で価電子帯(Ev)と伝導帯(Ec)が近づき、バンド間トンネルが発生する。この原理により従来のMOSFETより急峻なスイッチング特性が得られ、CMOSを越える低消費電力LSIを実現できる。
但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータである。ちなみに公知文献2(Kuo-Hsing Kao; Verhulst, A.S.; Vandenberghe, W.G.; Soree, B.; Groeseneken, G.; De Meyer, K., "Direct and Indirect Band-to-Band Tunneling in Germanium-Based TFETs," Electron Devices, IEEE Transactions on , vol.59, no.2, pp.292,301, Feb. 2012)中の式(1)が、上記Kaneの式に該当する。なお公知文献3(IEEETED1983_Semiconductor_Device_Simulation(Fichtner).pdf Fichtner, W.; Rose, D.J.; Bank, R.E., "Semiconductor device simulation," Electron Devices, IEEE Transactions on , vol.30, no.9, pp.1018,1030, Sep1983)に開示された式(15),(16)の式が電子正孔の連続式であるが、これらの式は、デバイスシミュレータにおけるキャリアの発生量Gを示す項を含んでいる。
G=A・Enonlp・exp[−L/(EG/B)]により求めることができる。但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータである。
以下回路シミュレータに用いることができる本出願の第2の発明のトンネルFETの非局所電界バンド間トンネルのコンパクトモデルについて説明する。第1の発明の実施の形態の上記デバイスシミュレーション・システムで採用したのと同様に、コンパクトモデルには、急峻なバンドの変化を取り入れ、トンネルパスの非局所性を考慮する。本発明のコンパクトモデルではこの非局所電界バンド間トンネルモデルを、簡単な計算で実現するために、図17に示すように、非局所なトンネルパスをソースゲートオーバーラップ部分での垂直方向のパスP1と、そこからチャネル界面に沿ってドレインに向かう水平方向のパスP2の2つに分離する近似を導入している。
但し、Vsはソース電圧、Vgはゲート電圧である。
但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータであり、Enonlはデバイスシミュレーション・システムから取得した非局所電界である。
3 非局所電界定義部
5 キャリア発生量演算部
7 演算結果記憶部
11 メッシュ仮定部
13 第1の選択部
15 第2の選択部
17 繰り返し部
19 トンネル距離決定部
21 第1の曲がり記憶部
22 第2の曲がり記憶部
23 トンネル距離演算部
24 キャリア発生量演算部
25 電流値演算部
31 プロファイル記憶部
33 トンネル距離演算部
34 キャリア発生量演算部
35 電流値演算部
Claims (20)
- トンネルFETのバンド間トンネルによるキャリアの発生量をシミュレートするデバイスシミュレーション方法であって、
前記トンネルFETのバンドエネルギをトレースしてトンネル距離Lを求めるトレースステップと、
前記トレースステップにより得たトンネル距離LとバンドギャップEGとから非局所電界Enonl(=EG/L)を定義する非局所電界定義ステップと、
バンド間トンネルによるキャリアの発生量Gを下記の式
G=A・Enonlp・exp(−B/Enonl)
(但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータである)に基づいて演算するキャリア発生量演算ステップとからなるデバイスシミュレーション方法。 - トンネルFETのバンド間トンネルによるキャリアの発生量をデバイスシミュレータを用いてシミュレートするデバイスシミュレーション方法であって、
前記トンネルFETのバンドエネルギをトレースしてトンネル距離Lを求めるトレースステップと、
前記トレースステップにより得たトンネル距離LとバンドギャップEGとから非局所電界Enonl(=EG/L)を定義する非局所電界定義ステップと、
非局所電界Enonlと、前記トンネル距離Lと前記バンドギャップEGとに基づいてバンド間トンネルによるキャリアの発生量Gを下記の式
G=A・Enonlp・exp[−L/(EG/B)]
(但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータである)に基づいて演算するキャリア発生量演算ステップとからなるデバイスシミュレーション方法。 - 前記バンドエネルギは、伝導帯Ec及び価電子帯Evの一方である請求項1または2に記載のデバイスシミュレーション方法。
- 前記トレースステップでは、
解析対象構造を複数のメッシュ点を有する複数のメッシュにより区切るメッシュ仮定ステップと、
前記複数のメッシュの1つのメッシュ点を始点として該始点の周囲のメッシュ点のうち最もエネルギの傾きが大きくなるメッシュ点を選択する第1の選択ステップと、
さらに選択したメッシュ点を始点として該始点の周囲のメッシュ点のうち最もエネルギの傾きが大きくなるメッシュ点を選択する第2の選択ステップと、
前記選択したメッシュ点のエネルギが前記伝導帯及び価電子帯の他方のエネルギと同じになるメッシュ点を終点として得るまで前記第2の選択ステップを繰り返す繰り返しステップと、
前記始点となるメッシュ点、前記選択したメッシュ点及び前記終点となるメッシュ点のうち隣接する二つのメッシュ点間の距離を積算した距離を前記トンネル距離とするトンネル距離決定ステップとを実行する請求項3に記載のデバイスシミュレーション方法。 - 前記トレースステップでは、
前記伝導帯及び価電子帯の一方に対して複数のメッシュ点を有するメッシュを仮定するメッシュ仮定ステップと、
前記複数のメッシュの一つのメッシュ点を始点として該始点の周囲のメッシュ点のうち最もエネルギの傾きが大きくなるメッシュ点を選択する第1の選択ステップと、
さらに選択したメッシュ点を始点として該始点の周囲のメッシュ点のうち最もエネルギの傾きが大きくなるメッシュ点を選択する第2の選択ステップと、
前記選択したメッシュ点のエネルギが前記伝導帯及び価電子帯の他方のエネルギと同じになるメッシュ点を終点として得るまで前記第2の選択ステップを繰り返す繰り返しステップと、
前記始点となるメッシュ点と前記終点となるメッシュ点との間の距離を前記トンネル距離とするトンネル距離決定ステップとを実行する請求項3に記載のデバイスシミュレーション方法。 - 前記トレースステップでは、前記始点における前記伝導帯と前記価電子帯との間のエネルギ差を前記バンドギャップEGとして求める請求項4または5に記載のデバイスシミュレーション方法。
- 前記請求項4乃至6のいずれか1項に記載のデバイスシミュレーション方法により前記複数のメッシュの前記複数のメッシュ点の全てについて、前記キャリアの発生量を求めることにより前記トンネルFETをモデリングすることを特徴するトンネルFETのモデリング方法。
- トンネルFETのバンド間トンネルによるキャリアの発生量をシミュレートするデバイスシミュレーション・システムであって、
前記トンネルFETのバンドエネルギをトレースしてトンネル距離LとバンドギャップEGを求めるトレース部と、
前記トレース部により得たトンネル距離LとバンドギャップEGとから非局所電界Enonl(=EG/L)を定義する非局所電界定義部と、
バンド間トンネルによるキャリアの発生量を下記の式
G=A・Enonlp・exp(−B/Enonl)
(但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータである)に基づいて演算するキャリア発生量演算部とからなるデバイスシミュレーション・システム。 - トンネルFETのバンド間トンネルによるキャリアの発生量をデバイスシミュレータを用いてシミュレートするデバイスシミュレーション・システムであって、
前記トンネルFETのバンドエネルギをトレースしてトンネル距離LとバンドギャップEGを求めるトレース部と、
前記トレース部により得たトンネル距離LとバンドギャップEGとから非局所電界Enonl(=EG/L)を定義する非局所電界定義部と、
非局所電界Enonlと、前記トンネル距離Lと前記バンドギャップEGとに基づいてバンド間トンネルによるキャリアの発生量を下記の式
G=A・Enonlp・exp[−L/(EG/B)]
(但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータである)に基づいて演算するキャリア発生量演算部とからなるデバイスシミュレーション・システム。 - 前記バンドエネルギは、伝導帯Ec及び価電子帯Evの一方である請求項8または9に記載のデバイスシミュレーション・システム。
- 前記トレース部は、
解析対象構造を複数のメッシュ点を有する複数のメッシュにより区切るメッシュ仮定部と、
前記複数のメッシュの一つのメッシュ点を始点として該始点の周囲のメッシュ点のうち最もエネルギの傾きが大きくなるメッシュ点を選択する第1の選択部と、
さらに選択したメッシュ点を始点として該始点の周囲のメッシュ点のうち最もエネルギの傾きが大きくなるメッシュ点を選択する第2の選択部と、
前記選択したメッシュ点のエネルギが前記伝導帯及び価電子帯の他方のエネルギと同じになるメッシュ点を終点として得るまで前記第2の選択ステップを繰り返す繰り返し部と、
前記始点となるメッシュ点、前記選択したメッシュ点及び前記終点となるメッシュ点のうち隣接する二つのメッシュ点間の距離を積算した距離を前記トンネル距離とするトンネル距離決定部とを備えている請求項10に記載のデバイスシミュレーション・システム。 - 前記トレース部は、
前記伝導帯及び価電子帯の一方に対して複数のメッシュ点を有するメッシュを仮定するメッシュ仮定部と、
前記メッシュの一つのメッシュ点を始点として該始点の周囲のメッシュ点のうち最もエネルギの傾きが大きくなるメッシュ点を選択する第1の選択部と、
さらに選択したメッシュ点を始点として該始点の周囲のメッシュ点のうち最もエネルギの傾きが大きくなるメッシュ点を選択する第2の選択部と、
前記選択したメッシュ点のエネルギが前記伝導帯及び価電子帯の他方のエネルギと同じになるメッシュ点を終点として得るまで前記第2の選択ステップを繰り返す繰り返し部と、
前記始点となるメッシュ点と前記終点となるメッシュ点との間の距離を前記トンネル距離とするトンネル距離決定部とを備えている請求項10に記載のデバイスシミュレーション・システム。 - 前記トレース部では、前記始点における前記伝導帯と前記価電子帯との間のエネルギ差を前記バンドギャップEGとして求める請求項11または12に記載のデバイスシミュレーション・システム。
- 前記請求項11乃至13のいずれか1項に記載のデバイスシミュレーション・システムにより前記複数のメッシュの前記複数のメッシュ点の全てについて、前記キャリアの発生量を求めることにより前記トンネルFETをモデリングすることを特徴するトンネルFETのモデリング・システム。
- トンネルFETの非局所電界バンド間トンネルのコンパクトモデルのモデリング方法であって、
前記トンネルFETのトンネルパスをソースゲートオーバーラップ部分において、垂直方向のパスとチャンネル界面に沿ってドレインに向かう水平方向のパスの2つのパスに分離して、前記垂直方向のパスのソース・ゲート間電圧に対するミッドギャップ電位の曲がりを、ソース・ゲート間電圧に対するミッドギャップ電位(静電ポテンシャルに相当)をMOSの理論式に基づくミッドギャップ電位近似式の関数として記憶する第1のステップと、
前記水平方向のパスのソース・ゲート間電圧に対するミッドギャップ電位の曲がりを、容量を用いたミッドギャップ電位近似式の関数として記憶する第2のステップと、
前記ミッドギャップ電位の前記第1の曲がりと前記第2の曲がりを用いて、前記非局所電界バンド間トンネルの各位置毎にトンネル距離Lを求める第3のステップと、
前記各位置における前記トンネル距離LとバンドギャップEGとに基づいてバンド間トンネルによるキャリアの発生量Gを演算する第4のステップと、
前記各位置における前記キャリアの発生量を数値積分して電流値を求める第5のステップとを実施し、
前記第5のステップにより得られた電流値がソース・ゲート間電圧に対する出力電流となるようにトンネルFETの非局所電界バンド間トンネルのコンパクトモデルを設計することを特徴とするトンネルFETのコンパクトモデルのモデリング方法。 - 前記第5のステップでは、前記トンネル距離Lと前記バンドギャップEGと基づいてバンド間トンネルによるキャリアの発生量を下記の式
G=A・Enonlp・exp[−L/(EG/B)]
(但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータであり、Enonlpは非局所電界である)に基づいて演算する請求項15に記載のトンネルFETのコンパクトモデルのモデリング方法。 - トンネルFETの非局所電界バンド間トンネルのコンパクトモデルであって、
前記トンネルFETのトンネルパスをソースゲートオーバーラップ部分において、垂直方向のパスとチャンネル界面に沿ってドレインに向かう水平方向のパスの2つのパスに分離して、前記垂直方向のパスにおけるソース・ゲート間電圧に対するミッドギャップ電位の曲がりを、MOSの理論式に基づくミッドギャップ電位近似式による関数として記憶する第1の記憶部と、
前記水平方向のソース・ゲート間電圧に対するミッドギャップ電位の第2の曲がりを、容量を用いたミッドギャップ電位近似式による関数として記憶する第2の記憶部と、
前記ミッドギャップ電位の前記第1の曲がりと前記第2の曲がりを用いて、前記非局所電界バンド間トンネルの各位置毎にトンネル距離Lを求める第1の演算部と、
前記各位置における前記トンネル距離LとバンドギャップEGとに基づいてバンド間トンネルによるキャリアの発生量Gを演算する第2の演算部と、
前記各位置における前記キャリアの発生量を数値積分して電流値を求める第3の演算部とを備えていることを特徴とするトンネルFETの非局所電界バンド間トンネルのコンパクトモデル。 - トンネルFETの非局所電界バンド間トンネルのコンパクトモデルであって、
前記トンネルFETのトンネルパスをソースゲートオーバーラップ部分において、垂直方向のパスとチャンネル界面に沿ってドレインに向かう水平方向のパスの2つのパスに分離して、前記垂直方向のパスにおけるソース・ゲート間電圧に対するミッドギャップ電位のエネルギ分布をMOSの理論式に基づくミッドギャップ電位近似式による関数とし、且つ前記水平方向のソース・ゲート間電圧に対するミッドギャップ電位を水平方向のバンドエネルギの分布のフィッティング関数を数値シミュレーション結果に合わせた関数として記憶することにより、前記非局所電界バンド間トンネルのミッドギャップ電位のプロファイルとして記憶するプロファイル記憶部と、
前記プロファイルから前記非局所電界バンド間トンネルの各位置毎にトンネル距離Lを演算する第1の演算部と、
前記トンネル距離LとバンドギャップEGに基づいてバンド間トンネルによるキャリアの発生量Gを演算する第2の演算部と、
前記各位置における前記キャリアの発生量を数値積分して電流値を求める第3の演算部とを備えていることを特徴とするトンネルFETの非局所電界バンド間トンネルのコンパクトモデル。 - トンネルFETの非局所電界バンド間トンネルのコンパクトモデルであって、
前記トンネルFETのトンネルパスをソースゲートオーバーラップ部分において、垂直方向のパスとチャンネル界面に沿ってドレインに向かう水平方向のパスの2つのパスに分離して、前記垂直方向のパスにおけるソース・ゲート間電圧に対するミッドギャップ電位として、MOSの理論式に基づくミッドギャップ電位近似式により演算したものを用い、且つ前記水平方向のソース・ゲート間電圧に対するミッドギャップ電位として、数値シミュレーション結果を用いて定めたものを前記非局所電界バンド間トンネルのミッドギャップ電位のプロファイルとして記憶するプロファイル記憶部と、
前記プロファイルから前記非局所電界バンド間トンネルの各位置毎にトンネル距離Lを演算する第1の演算部と、
前記トンネル距離LとバンドギャップEGに基づいてバンド間トンネルによるキャリアの発生量Gを演算する第2の演算部と、
前記各位置における前記キャリアの発生量を数値積分して電流値を求める第3の演算部とを備えていることを特徴とするトンネルFETの非局所電界バンド間トンネルのコンパクトモデル。 - 前記第2の演算部は、前記トンネル距離Lと前記バンドギャップEGとに基づいてバンド間トンネルによるキャリアの発生量を下記の式
G=A・Enonlp・exp[−L/(EG/B)]
(但し、A、B及びpは半導体の材料により定まるKaneの式のパラメータであり、Enonlpは非局所電界である)に基づいて演算する請求項17,18または19に記載のトンネルFETのコンパクトモデル。
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