Poljak, Mirko
Carrier transport in low-dimensional nanoelectronic devices : doctoral thesis / Mirko Poljak ; mentori Tomislav Suligoj i Kang L. Wang - Zagreb : M. Poljak ; Fakultet elektrotehnike i računarstva, 2013 - IX, 209 str. : graf. prikazi, formule ; 30 cm + CD
Na spor. nasl. str. naslov na hrv. jeziku: Transport nosilaca u niskodimenzionalnim nanoelektroničkim elementima : doktorski rad
Bibliografija: 194-204 str.
ABSTRACTS: This dissertation explores the consequences of low dimensionality and using new channel materials on the performance of future nanoelectronic devices. The focus is on carrier transport since its properties determine the performance gains offered by the proposed technologies. By using the semiclassical mobility modeling and atomistic quantum transport modeling based on the non-equilibrium Green's function (NEGF) formalism, the impact of the downscaling of device size on the transport properties of ultra-thin body (UTB) silicon-oninsulator (SOI), FinFET, UTB indium-gallium-arsenide-on-insulator (InGaAs-OI), and graphene-based electron devices is studied. It is found that a direct consequence of low dimensionality of UTB SOI and FinFET devices is the existence of optimum body thicknesses for which the optimum performance or minimum circuit layout area can be achieved. Similarly, a range of body thicknesses is found for which the InGaAs-OI technology is superior to SOI in terms of electron mobility and intrinsic delay time. The investigation of graphene nanoribbons (GNRs) has revealed that the optimum substrate type depends on interface impurity density and GNR width, and that the variability of transport properties induced by disorder is the most severe limiter for GNR applications in nanoelectronics. - KEYWORDS: carrier transport, ultra-thin body, silicon-on-insulator, indium-gallium-arsenide-on-insulator, graphene, graphene nanoribbons, non-equilibrium Green's function modeling, momentum relaxation time approximation, semiclassical mobility modeling SAŽETAK: Ovaj doktorski rad, pod naslovom "Carrier transport in low-dimensional nanoelectronic devices" ("Transport nosilaca u niskodimenzionalnim nanoelektroničkim elementima"), rezultat je istraživanja na području naprednih nanoelektroničkih elemenata. Transportna svojstva nosilaca određuju moguća poboljšanja ili ograničenja koja nude predložene buduće tehnologije, što ilustrira važnost poznavanja transportnih svojstava nosilaca u novim materijalima za kanal tranzistora i u novim arhitekturama elektroničkih elemenata. Poluklasični proračuni pokretljivosti, temeljeni na Fermijevom zlatnom pravilu i aproksimaciji vremena relaksacije momenta, te atomističke simulacije kvantnog transporta, temeljene na atomističkom Hamiltonijanu u modelu jake veze i na neravnotežnom formalizmu Greenove funkcije (NEGF), koriste se u radu radi istraživanja transportnih svojstava struktura s ultra-tankim tijelom (UTB) i to silicij-na-izolatoru (UTB SOI) i indijgalij- arsenid-na-izolatoru (UTB InGaAs-OI), te grafena i grafenskih nanotraka (GNR). Glavni cilj doktorskog rada jest istražiti posljedice niskodimenzionalnosti i upotrebe novih materijala na pokretljivost nosilaca u naprednim nanoelektroničkim elementima. Prvo poglavlje, s naslovom "Introduction" ("Uvod"), daje kratki pregled područja istraživanja, postavlja temu istraživanja u širi kontekst, te daje motivaciju za istraživanje i kratki pregled doktorskog rada. U drugom poglavlju, s naslovom "Carriers in lattices with applied voltages" ("Nosioci u kristalnim rešetkama s narinutim naponima"), opisan je model temeljen na efektivnim masama te samokonzistentni Schrödinger-Poisson simulator koji se koriste za proračun valnih funkcija i energijskih nivoa, raspodjele nosioca i raspodjele elektrostatskog potencijala. Također su opisana neka svojstva grafena i GNR-ova koja su relevantna za proračun pokretljivosti i izvod NEGF modela. Treće poglavlje, s naslovom "Carrier transport in low-dimensional systems" ("Transport nosilaca u niskodimenzionalnim sustavima"), predstavlja poluklasični model za proračun pokretljivosti nosilaca u poluvodičkim kvantnim jamama i GNR-ovima. Također je opisan atomistički model za kvantni transport u GNR-ovima, koji se koristi za proračun utjecaja neidealnosti (rubnih defekata, vakancija i fluktuacija potencijala) na transportna svojstva i karakteristike energijskih pojaseva u ekstremno skaliranim GNR-ovima. Četvrto poglavlje, s naslovom "Carrier mobility in UTB silicon devices" ("Pokretljivost nosilaca u UTB silicijskim elementima"), sadrži rezultate simulacija pokretljivosti za elektrone i šupljine, te za (100), (110) i (111) orijentacije aktivne površine u UTB SOI i FinFET tranzistorima. Istražena su svojstva pokretljivosti s obzirom na skaliranje debljine tijela te su opisani doprinosi pojedinih mehanizama raspršenja za strukture s jednom (SG) i dvije (DG) upravljačke elektrode. Dobiveno je da je direktna posljedica niskodimenzionalnosti FinFET-ova postojanje optimalnih debljina tijela za koje se ostvaruju optimalne strujne karakteristike ili minimalne površine integriranih sklopova. U petom poglavlju, s naslovom "Electron mobility in UTB InGaAs-OI devices" ("Pokretljivost elektrona u UTB InGaAs-OI elementima"), predstavljeni su rezultati simulacija pokretljivosti elektrona u ultra-tankim InGaAs slojevima. Opisana su svojstva pokretljivosti elektrona u SG i DG InGaAs-OI MOSFET-ovima te je istražen utjecaj svih relevantnih mehanizama raspršenja, faktora preklapanja valnih funkcija, populacije energijskih dolova te distribucije elektrona u kanalu. Dobiveno je da postoji raspon debljina tijela za koji je InGaAs-OI tehnologija superiorna SOI tehnologiji, i u SG i u DG arhitekturi. Također, analiza intrinzičnog vremena kašnjenja u komplementarnoj metal-oksid-poluvodič (CMOS) tehnologiji je pokazala da korištenje dvokanalne CMOS tehnologije s InGaAs-OI strukturom kao nMOSFET-om značajno smanjuje vrijeme kašnjenja u usporedbi s CMOS-om temeljenom na SOI tehnologiji. Šesto poglavlje, s naslovom "Transport and bandstructure properties of extremely scaled GNRs with disorder" ("Transportna svojstva i karakteristike energijskih pojaseva u GNR-ovima s neidealnostima"), predstavlja rezultate atomističkih NEGF simulacija velikog broja stohastički generiranih GNR-ova s rubnim defektima i vakancijama (defekti kristalne rešetke) te fluktuacijama potencijala (zbog nečistoća na podlozi). Istražen je utjecaj nabrojanih neidealnosti na kvantnu transmisiju, gustoću stanja (DOS), transportni energijski procjep, te na vodljivost u aktivnom i neaktivnom načinu rada elementa. Koristeći rezultate NEGF simulacija, izveden je analitički model gustoće stanja za GNR-ove s defektima koji se koristi u proračunima pokretljivosti nosilaca u realističnim GNR-ovima. U sedmom poglavlju, s naslovom "Carrier mobility in graphene and GNRs" ("Pokretljivost nosilaca u grafenu i GNR-ovima"), predstavljena su mjerenja pokretljivosti u grafenu koji je dobiven depozicijom iz parne faze (CVD) i rezultati numeričke studije pokretljivosti u GNR-ovima sa širinama od ~250 nm do ~1 nm. Model je kalibriran na mjerenjima, a potom je istražen utjecaj skaliranja širine nanotrake na pokretljivosti nosilaca. Doprinosi relevantnih mehanizama raspršenja analizirani su za podloge silicij-dioksid (SiO2), hafnij(IV)-oksid (HfO2), aluminij(III)-oksid (Al2O3) te heksagonalni bor-nitrid (h-BN), radi identifikacije ograničenja i određivanja optimalne podloge za elektroničke elemente temeljene na grafenu. Također, korištenjem analitičkog DOS modela dobivenog u šestom poglavlju, analizirana je varijabilnost pokretljivosti nosilaca. Pokazano je da optimalni tip podloge ovisi o gustoći ioniziranih nečistoća i o širini grafenske nanotrake, te da je visoka varijabilnost transportnih svojstava najozbiljnija prepreka primjeni GNR-ova u nanoelektronici. Sažetak glavnih rezultata i njihova važnost zajedno s idejama za moguća buduća istraživanja temeljena na modelima i rezultatima predstavljenim u ovom doktorskom radu dani su u posljednjem poglavlju s naslovom "Conclusions and future work" ("Zaključci i smjernice za daljnji rad"). - KLJUČNE RIJEČI: transport nosilaca, ultra-tanko tijelo, silicij-na-izolatoru, indij-galij-arsenid–na–izolatoru, grafen, grafenske nanotrake, modeliranje kvantnog transporta Greenovom funkcijom, aproksimacija vremena relaksacije momenta, poluklasično modeliranje pokretljivosti
621.38.049.76:530.145.3 620
Carrier transport in low-dimensional nanoelectronic devices : doctoral thesis / Mirko Poljak ; mentori Tomislav Suligoj i Kang L. Wang - Zagreb : M. Poljak ; Fakultet elektrotehnike i računarstva, 2013 - IX, 209 str. : graf. prikazi, formule ; 30 cm + CD
Na spor. nasl. str. naslov na hrv. jeziku: Transport nosilaca u niskodimenzionalnim nanoelektroničkim elementima : doktorski rad
Bibliografija: 194-204 str.
ABSTRACTS: This dissertation explores the consequences of low dimensionality and using new channel materials on the performance of future nanoelectronic devices. The focus is on carrier transport since its properties determine the performance gains offered by the proposed technologies. By using the semiclassical mobility modeling and atomistic quantum transport modeling based on the non-equilibrium Green's function (NEGF) formalism, the impact of the downscaling of device size on the transport properties of ultra-thin body (UTB) silicon-oninsulator (SOI), FinFET, UTB indium-gallium-arsenide-on-insulator (InGaAs-OI), and graphene-based electron devices is studied. It is found that a direct consequence of low dimensionality of UTB SOI and FinFET devices is the existence of optimum body thicknesses for which the optimum performance or minimum circuit layout area can be achieved. Similarly, a range of body thicknesses is found for which the InGaAs-OI technology is superior to SOI in terms of electron mobility and intrinsic delay time. The investigation of graphene nanoribbons (GNRs) has revealed that the optimum substrate type depends on interface impurity density and GNR width, and that the variability of transport properties induced by disorder is the most severe limiter for GNR applications in nanoelectronics. - KEYWORDS: carrier transport, ultra-thin body, silicon-on-insulator, indium-gallium-arsenide-on-insulator, graphene, graphene nanoribbons, non-equilibrium Green's function modeling, momentum relaxation time approximation, semiclassical mobility modeling SAŽETAK: Ovaj doktorski rad, pod naslovom "Carrier transport in low-dimensional nanoelectronic devices" ("Transport nosilaca u niskodimenzionalnim nanoelektroničkim elementima"), rezultat je istraživanja na području naprednih nanoelektroničkih elemenata. Transportna svojstva nosilaca određuju moguća poboljšanja ili ograničenja koja nude predložene buduće tehnologije, što ilustrira važnost poznavanja transportnih svojstava nosilaca u novim materijalima za kanal tranzistora i u novim arhitekturama elektroničkih elemenata. Poluklasični proračuni pokretljivosti, temeljeni na Fermijevom zlatnom pravilu i aproksimaciji vremena relaksacije momenta, te atomističke simulacije kvantnog transporta, temeljene na atomističkom Hamiltonijanu u modelu jake veze i na neravnotežnom formalizmu Greenove funkcije (NEGF), koriste se u radu radi istraživanja transportnih svojstava struktura s ultra-tankim tijelom (UTB) i to silicij-na-izolatoru (UTB SOI) i indijgalij- arsenid-na-izolatoru (UTB InGaAs-OI), te grafena i grafenskih nanotraka (GNR). Glavni cilj doktorskog rada jest istražiti posljedice niskodimenzionalnosti i upotrebe novih materijala na pokretljivost nosilaca u naprednim nanoelektroničkim elementima. Prvo poglavlje, s naslovom "Introduction" ("Uvod"), daje kratki pregled područja istraživanja, postavlja temu istraživanja u širi kontekst, te daje motivaciju za istraživanje i kratki pregled doktorskog rada. U drugom poglavlju, s naslovom "Carriers in lattices with applied voltages" ("Nosioci u kristalnim rešetkama s narinutim naponima"), opisan je model temeljen na efektivnim masama te samokonzistentni Schrödinger-Poisson simulator koji se koriste za proračun valnih funkcija i energijskih nivoa, raspodjele nosioca i raspodjele elektrostatskog potencijala. Također su opisana neka svojstva grafena i GNR-ova koja su relevantna za proračun pokretljivosti i izvod NEGF modela. Treće poglavlje, s naslovom "Carrier transport in low-dimensional systems" ("Transport nosilaca u niskodimenzionalnim sustavima"), predstavlja poluklasični model za proračun pokretljivosti nosilaca u poluvodičkim kvantnim jamama i GNR-ovima. Također je opisan atomistički model za kvantni transport u GNR-ovima, koji se koristi za proračun utjecaja neidealnosti (rubnih defekata, vakancija i fluktuacija potencijala) na transportna svojstva i karakteristike energijskih pojaseva u ekstremno skaliranim GNR-ovima. Četvrto poglavlje, s naslovom "Carrier mobility in UTB silicon devices" ("Pokretljivost nosilaca u UTB silicijskim elementima"), sadrži rezultate simulacija pokretljivosti za elektrone i šupljine, te za (100), (110) i (111) orijentacije aktivne površine u UTB SOI i FinFET tranzistorima. Istražena su svojstva pokretljivosti s obzirom na skaliranje debljine tijela te su opisani doprinosi pojedinih mehanizama raspršenja za strukture s jednom (SG) i dvije (DG) upravljačke elektrode. Dobiveno je da je direktna posljedica niskodimenzionalnosti FinFET-ova postojanje optimalnih debljina tijela za koje se ostvaruju optimalne strujne karakteristike ili minimalne površine integriranih sklopova. U petom poglavlju, s naslovom "Electron mobility in UTB InGaAs-OI devices" ("Pokretljivost elektrona u UTB InGaAs-OI elementima"), predstavljeni su rezultati simulacija pokretljivosti elektrona u ultra-tankim InGaAs slojevima. Opisana su svojstva pokretljivosti elektrona u SG i DG InGaAs-OI MOSFET-ovima te je istražen utjecaj svih relevantnih mehanizama raspršenja, faktora preklapanja valnih funkcija, populacije energijskih dolova te distribucije elektrona u kanalu. Dobiveno je da postoji raspon debljina tijela za koji je InGaAs-OI tehnologija superiorna SOI tehnologiji, i u SG i u DG arhitekturi. Također, analiza intrinzičnog vremena kašnjenja u komplementarnoj metal-oksid-poluvodič (CMOS) tehnologiji je pokazala da korištenje dvokanalne CMOS tehnologije s InGaAs-OI strukturom kao nMOSFET-om značajno smanjuje vrijeme kašnjenja u usporedbi s CMOS-om temeljenom na SOI tehnologiji. Šesto poglavlje, s naslovom "Transport and bandstructure properties of extremely scaled GNRs with disorder" ("Transportna svojstva i karakteristike energijskih pojaseva u GNR-ovima s neidealnostima"), predstavlja rezultate atomističkih NEGF simulacija velikog broja stohastički generiranih GNR-ova s rubnim defektima i vakancijama (defekti kristalne rešetke) te fluktuacijama potencijala (zbog nečistoća na podlozi). Istražen je utjecaj nabrojanih neidealnosti na kvantnu transmisiju, gustoću stanja (DOS), transportni energijski procjep, te na vodljivost u aktivnom i neaktivnom načinu rada elementa. Koristeći rezultate NEGF simulacija, izveden je analitički model gustoće stanja za GNR-ove s defektima koji se koristi u proračunima pokretljivosti nosilaca u realističnim GNR-ovima. U sedmom poglavlju, s naslovom "Carrier mobility in graphene and GNRs" ("Pokretljivost nosilaca u grafenu i GNR-ovima"), predstavljena su mjerenja pokretljivosti u grafenu koji je dobiven depozicijom iz parne faze (CVD) i rezultati numeričke studije pokretljivosti u GNR-ovima sa širinama od ~250 nm do ~1 nm. Model je kalibriran na mjerenjima, a potom je istražen utjecaj skaliranja širine nanotrake na pokretljivosti nosilaca. Doprinosi relevantnih mehanizama raspršenja analizirani su za podloge silicij-dioksid (SiO2), hafnij(IV)-oksid (HfO2), aluminij(III)-oksid (Al2O3) te heksagonalni bor-nitrid (h-BN), radi identifikacije ograničenja i određivanja optimalne podloge za elektroničke elemente temeljene na grafenu. Također, korištenjem analitičkog DOS modela dobivenog u šestom poglavlju, analizirana je varijabilnost pokretljivosti nosilaca. Pokazano je da optimalni tip podloge ovisi o gustoći ioniziranih nečistoća i o širini grafenske nanotrake, te da je visoka varijabilnost transportnih svojstava najozbiljnija prepreka primjeni GNR-ova u nanoelektronici. Sažetak glavnih rezultata i njihova važnost zajedno s idejama za moguća buduća istraživanja temeljena na modelima i rezultatima predstavljenim u ovom doktorskom radu dani su u posljednjem poglavlju s naslovom "Conclusions and future work" ("Zaključci i smjernice za daljnji rad"). - KLJUČNE RIJEČI: transport nosilaca, ultra-tanko tijelo, silicij-na-izolatoru, indij-galij-arsenid–na–izolatoru, grafen, grafenske nanotrake, modeliranje kvantnog transporta Greenovom funkcijom, aproksimacija vremena relaksacije momenta, poluklasično modeliranje pokretljivosti
621.38.049.76:530.145.3 620