Simulation of coupled electron-phonon transport in two-dimensional materials and heterostructures

• Project/Area Number: 20H00250
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 森 伸也 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (70239614)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000); Fiscal Year 2024: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2023: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2022: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2021: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2020: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
• Keywords: 量子輸送シミュレーション / 低次元半導体 / 電子 / フォノン / 非平衡グリーン関数法 / 省電力デバイス / トンネルトランジスタ / 熱電変換デバイス / 2次元物質 / バンド間トンネル

Outline of Research at the Start

これまでは，電子を古典力学に従って運動する粒子として扱い，デバイスを連続体として扱うという枠組みの中で，半導体電子デバイスの設計や解析が行われてきました．しかし，極めて微細なデバイスのシミュレーションにおいては，電子が量子力学に従って運動するという量子性や，デバイスが原子から構成されているという原子論的な効果を無視することができません．本研究では，申請者らが確立してきた原子論に基づく量子輸送シミュレーション技術を基盤に，原子層１層程度の極めて薄い物質からなるデバイスにおいて，電子輸送とフォノン輸送とを同時に取り扱うことができるシミュレータを実現することを目的としています．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，２次元物質ヘテロ構造の電子・フォノン連成シミュレータを実現し，デバイス開発の指針を早期に得る環境を構築することを目的にしている．本年度は，弾道輸送シミュレーションの結果から，平均自由行程を抽出する計算手法の開発，ランダム不純物などが作るランダムなポテンシャル分布が，２次元電子状態に与える影響の解析，グラフェンの移動度向上に関するモンテカルロ・シミュレーションを用いた解析などを行った．
不純物散乱や界面ラフネス散乱などの非弾性散乱過程で定まる平均自由行程を，量子輸送計算から抽出する従来の計算手法には，アンダーソン局在の影響が無視できるような，短いチャネル長の試料のみにしか適用できないという問題があった．すなわち，従来手法では，透過率のチャネル長依存性から平均自由行程を抽出するため，短いチャネル長に限って計算する必要があり，高精度の抽出が困難であった．特に，界面ラフネス散乱を考察する場合，ラフネスの相関長より十分長いチャネル長を持つ試料に関する計算が必要であるが，その場合，アンダーソン局在の影響が無視できなくなり，従来手法を用いることができなかった．本年度，弾道輸送領域から拡散領域，局在領域までをすべてカバーすることができる計算手法を新たに開発した．開発した手法では，平均自由行程を系の無次元化抵抗の対数に関する集団平均から抽出する．提案手法を用いて，半導体ナノシートの平均自由行程のチャネル膜厚依存性を有効質量近似に基づき解析し，膜厚が厚い領域では，よく知られた依存性を示すが，膜厚が薄い領域では膜厚依存性が弱くなることなどがわかった．また，膜厚が薄い領域の依存性は，自己無撞着ボルン近似の結果と整合することを確認した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では，２次元物質ヘテロ構造の電子・フォノン連成シミュレータを実現し，デバイス開発の指針を早期に得る環境を構築することを目的にしている．独立したシミュレータを用いた研究において当初予期しなかった結果が多数現れ，それらの解析等を行っていたため，連成プログラムの開発が遅れている．最終年度に向けて当初の目的を達成できるよう開発を進める．

Strategy for Future Research Activity

次年度は最終年度であり，これまの研究で得られた知見および計算手法をまとめて，低次元系における異常熱拡散に不純物乱れおよび電子・フォノン相互作用が与える影響を解明する．電子とフォノンとの連成解析プログラムを完成させ，ランダム不純物を考慮した異常熱拡散の解析を行う．さらに，低次元系として，これまでの研究対象をひろげ，近年，応用上の重要度が急速に高まっている，極薄半導体および半導体ナノシートにおける電子輸送解析プログラムを開発する．計算手法としては，非平衡グリーン関数法・不連続ガラーキン法・モンテカルロ法を用いる．その際，特に，結晶の異方性を考慮した電子・変調フォノン相互作用，電子状態の異方性を考慮した場合に生じるサブバンド間遷移，乱れたポテンシャル分布による電子状態変調などを計算に取り入れ，従来モデルの詳細化をおこない，極薄半導体および半導体ナノシートにおける電子輸送解析を行い，次世代高性能半導体デバイスの開発に資する知見を得る．

Research Products

• [Journal Article] Monte Carlo simulation of mobility enhancement in multilayer graphene with turbostratic structure (2024)
  • Author(s): Mojtahedzadeh Seyed Ali、Tanaka Hajime、Mori Nobuya
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 3 Pages: 031004-031004
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad2aa3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical analysis of electron scattering by step-terrace structures at SiC metal-oxide-semiconductor interface (2024)
  • Author(s): Utsumi Keisuke、Tanaka Hajime、Mori Nobuya
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 2 Pages: 02SP75-02SP75
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad189c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Statistical model of electronic structure in InAs, InP, GaSb, and Si quantum dots with surface roughness (2024)
  • Author(s): Lim Jin Hyong、Mori Nobuya
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 2 Pages: 02SP46-02SP46
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad15e5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Numerical calculation method for the mean free path of single-mode semiconductor nanosheets with surface roughness (2023)
  • Author(s): Okada Jo、Tanaka Hajime、Mori Nobuya
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 16 Issue: 9 Pages: 091003-091003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acf5c8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] RSDFT-NEGF transport simulations in realistic nanoscale transistors (2023)
  • Author(s): Mil’nikov Gennady、Iwata Jun-ichi、Mori Nobuya、Oshiyama Atsushi
  • Journal Title: Journal of Computational Electronics Volume: 22 Issue: 5 Pages: 1181-1201
  • DOI: 10.1007/s10825-023-02046-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Accuracy of equivalent model in band-to-band tunneling simulation of semiconductor nanowires (2023)
  • Author(s): Okada Jo、Mori Nobuya、Mil’nikov Gennady
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: SC Pages: 1-7
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acb3cf
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical analysis of tunneling current in 4H-SiC Schottky barrier diodes under reverse-biased conditions based on the complex band structure (2023)
  • Author(s): Murakami Yutoku、Nagamizo Sachika、Tanaka Hajime、Mori Nobuya
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: SC Pages: SC1042-SC1042
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acaed2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron and Phonon Transport Simulation for Quantum Hybrid System (2022)
  • Author(s): Mori Nobuya、Mil’nikov Gennady
  • Journal Title: Quantum Hybrid Electronics and Materials (Y. Hirayama, K. Hirakawa, and H. Yamaguchi, editors) Volume: 1 Pages: 73-98
  • DOI: 10.1007/978-981-19-1201-6_5
  • ISBN: 9789811912009, 9789811912016
• [Journal Article] Analytical models for inter-layer tunneling in two-dimensional materials (2022)
  • Author(s): N. Mori, F. Hashimoto, T. Mishima, and H. Tanaka
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: SC Pages: SC1022-SC1022
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac3f70
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Equivalent model for band-to-band tunneling simulation of direct-gap III-V semiconductor nanowires (2021)
  • Author(s): J. Okada, F. Hashimoto, and N. Mori
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: 9 Pages: 091002-091002
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac1de8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparison of linear and quadratic dispersion models for phonon transport in one-dimensional mass-disordered systems (2021)
  • Author(s): N. Mori, A. Komada, and G. Mil'nikov
  • Journal Title: APL Materials Volume: 9 Issue: 8 Pages: 081112-081112
  • DOI: 10.1063/5.0058493
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reduction of order of device Hamiltonian with adaptive moment estimation (2021)
  • Author(s): Okada Jo、Hashimoto Futo、Mori Nobuya
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: SB Pages: SBBH08-SBBH08
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abd6df
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparative simulation study of intra-layer band-to-band tunneling in monolayer transition metal dichalcogenides (2021)
  • Author(s): Hashimoto Futo、Mori Nobuya
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: SB Pages: SBBH12-SBBH12
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abdad1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Material dependence of band-to-band tunneling in van der Waals heterojunctions of transition metal dichalcogenides (2020)
  • Author(s): Hashimoto Futo、Tanaka Hajime、Mori Nobuya
  • Journal Title: Journal of Physics D: Applied Physics Volume: 53 Issue: 25 Pages: 255107-255107
  • DOI: 10.1088/1361-6463/ab7ca6
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Shell thickness dependence of strain profile and electronic structure of InP-based colloid quantum dots (2024)
  • Author(s): J. H. Lim and N. Mori
  • Organizer: The 31st Korean Conference on Semiconductors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] InPコア/シェル量子ドットの電子構造に歪みが与える影響 (2024)
  • Author(s): Lim Jin Hyong，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 矩形断面半導体ナノシートにおける電子移動度の数値解析 (2024)
  • Author(s): 岡田 丈，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ランダムポテンシャルがサブスレッショルド特性に与える影響 (2024)
  • Author(s): 森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Calculation of electric field distribution in 3D Monte Carlo device simulation using machine learning (2023)
  • Author(s): S. Kuramoto and N. Mori
  • Organizer: The 2023 International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Carrier transport simulations in twisted bilayer and turbostratic multilayer graphene systems (2023)
  • Author(s): S. A. Mojtahedzadeh, H. Tanaka, and N. Mori
  • Organizer: The 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Semiconductor device simulation from first principles (2023)
  • Author(s): N. Mori, G. Mil'nikov, H. Tanaka, J. Okada, J. Iwata, and A. Oshiyama
  • Organizer: The 24th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Statistical model of electronic structure in disordered quantum dots of InAs, InP, GaSb, and Si (2023)
  • Author(s): J. H. Lim and N. Mori
  • Organizer: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical analysis of electron scattering by step-terrace structures at SiC metal-oxide-semiconductor interface (2023)
  • Author(s): K. Utsumi, H. Tanaka, and N. Mori
  • Organizer: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Statistical study of the effect of interface roughness on electron mobility in Si nanosheets (2023)
  • Author(s): J. Okada and N. Mori
  • Organizer: 22nd International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impacts of band structures and scattering processes on high-field carrier transport in wide bandgap semiconductors (2023)
  • Author(s): H. Tanaka, T. Kimoto, and N. Mori
  • Organizer: International Workshop on Computational Nanotechnology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 半導体ナノシートにおける表面ラフネス散乱の量子論に基づく数値解析 (2023)
  • Author(s): 岡田 丈，田中 一，森 伸也
  • Organizer: シリコンテクノロジー分科会 第246回研究集会
  • Invited
• [Presentation] 半導体ナノシートにおける表面ラフネス散乱の数値解析 (2023)
  • Author(s): 岡田 丈，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 異方性を有する自立シリコン板における音響フォノン散乱 (2023)
  • Author(s): 森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 3次元モンテカルロデバイスシミュレーションにおける電界分布数値計算の機械学習による高速化 (2023)
  • Author(s): 倉元 俊亮，森 伸
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ナノワイヤトランジスタのバンド間トンネルにおける等価モデル (2023)
  • Author(s): 岡田 丈，美里劫 夏南，森 伸也
  • Organizer: 「富岳」成果創出加速プログラム 研究交流会
• [Presentation] Modeling of band-to-band tunneling in ultra-thin GaSb and InAs gate-all-around nanowire tunnel FETs (2022)
  • Author(s): J. Okada, J. Hattori, K. Fukuda, T. Ikegami, and N. Mori
  • Organizer: Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical analysis of tunneling effect in 4H-SiC Schottky barrier diodes based on complex band structure (2022)
  • Author(s): Y. Murakami, S. Nagamizo, H. Tanaka, and N. Mori
  • Organizer: Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Accuracy of equivalent model in band-to-band tunneling simulation of semiconductor nanowires (2022)
  • Author(s): J. Okada, N. Mori, and G. Mil'nikov
  • Organizer: 2022 International Conference on Solid State Devices and Material
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical analysis of tunneling current in 4H-SiC Schottky barrier diodes under reverse-biased condition based on complex band structure (2022)
  • Author(s): Y. Murakami, S. Nagamizo, H. Tanaka, and N. Mori
  • Organizer: 2022 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Atomistic modeling of electronic structure of disordered InP quantum dots (2022)
  • Author(s): J. H. Lim and N. Mori
  • Organizer: 2022 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2次元系におけるフォノン散乱により生じるテール状態の理論解析 (2022)
  • Author(s): 田中 一，森 伸也
  • Organizer: 先進パワー半導体分科会第9回講演会
• [Presentation] モンテカルロ・シミュレーションにおけるポアソン方程式数値計算の機械学習を用いた高速化 (2022)
  • Author(s): 倉元 俊亮，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会関西支部 75周年記念講演会
• [Presentation] 省エネ半導体デバイスの先端シミュレーション (2022)
  • Author(s): 森 伸也，美里劫 夏南
  • Organizer: 「富岳」成果創出加速プログラム「省エネルギー次世代半導体デバイス開発のための量子論マルチシミュレーション」研究会
• [Presentation] 半導体デバイスシミュレーション技術の進展 (2022)
  • Author(s): 森 伸也
  • Organizer: アドバンス・シミュレーション・セミナー
  • Invited
• [Presentation] 乱れたInP量子ドットのエネルギー分布解析 (2022)
  • Author(s): Lim Jin Hyong，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] フォノン散乱により生じるテール状態の輸送特性の非平衡グリーン関数解析 (2022)
  • Author(s): 田中 一，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 量子輸送デバイスシミュレーションにおける等価モデルの進展 (2022)
  • Author(s): 森 伸也、岡田 丈、美里劫 夏南
  • Organizer: 第236回シリコンテクノロジー分科会研究集
  • Invited
• [Presentation] 量子論に基づくデバイスシミュレータの進展 (2022)
  • Author(s): 森 伸也
  • Organizer: 第35期CAMMフォーラム 本例会
  • Invited
• [Presentation] Application of the R-matrix approach to large scale NEGF simulations (2022)
  • Author(s): G. Mil'nikov and N. Mori
  • Organizer: International Symposium on Wide Gap Semiconductor Growth, Process and Device Simulation 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Semiconductor device modeling and simulation from an atomistic view (2022)
  • Author(s): N. Mori, S. Nagamizo, H. Tanaka, and G. Mil'nikov
  • Organizer: International Symposium on Wide Gap Semiconductor Growth, Process and Device Simulation 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Impact of anharmonic phonon-phonon scattering on phonon transport in one-dimensional system (2021)
  • Author(s): A. Komada and N. Mori
  • Organizer: 2021 International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai November 18, 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Wigner Monte Carlo simulation of quantum superposition states (2021)
  • Author(s): Y. Kunimoto and N. Mori
  • Organizer: 2021 International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai November 18, 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analytical models for inter-layer tunneling in two-dimensional materials (2021)
  • Author(s): N. Mori, F. Hashimoto, T. Mishima, and H. Tanaka
  • Organizer: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Equivalent model for tunneling simulation of direct-gap semiconductor nanowires (2021)
  • Author(s): J. Okada, F. Hashimoto, and N. Mori
  • Organizer: International Workshop on Computational Nanotechnology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 等価モデルに基づく半導体ナノワイヤバンド間トンネルシミュレーション (2021)
  • Author(s): 岡田 丈，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 省エネルギーデバイスのシミュレーション (2021)
  • Author(s): 森 伸也
  • Organizer: 「富岳」成果創出加速プログラム 物質・材料系課題 合同研究会
• [Presentation] 原子論モデルを用いた乱れた量子ドットのエネルギー分布解析 (2021)
  • Author(s): Lim Jin Hyong，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 直接遷移型半導体におけるバンド間トンネルシミュレーションの高速化 (2021)
  • Author(s): 岡田 丈，橋本 風渡，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ゲルマニウムにおけるバンド間トンネル電流のNEGFシミュレーション (2021)
  • Author(s): 橋本 風渡，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Reduction of order of device Hamiltonian with adaptive moment estimation (2020)
  • Author(s): J. Okada, F. Hashimoto, and N. Mori
  • Organizer: 2020 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comparative simulation study of intra-layer band-to-band tunneling in monolayer transition metal dichalcogenides (2020)
  • Author(s): F. Hashimoto and N. Mori
  • Organizer: 2020 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 適応モーメント推定を利用した量子輸送シミュレーションの高速化 (2020)
  • Author(s): 岡田 丈，橋本 風渡，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] TMDCナノリボンにおけるバンド間トンネル電流のNEGF解析 (2020)
  • Author(s): 橋本 風渡，森 伸也
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ファンデルワールスヘテロ構造におけるバンド間トンネルのNEGFシミュレーション (2020)
  • Author(s): 森 伸也，橋本 風渡，三島 嵩也，田中 一
  • Organizer: シリコン材料・デバイス研究会
  • Invited
• [Book] 遷移金属ダイカルコゲナイドの基礎と最新動向，第23章 (2023)
  • Author(s): 森 伸也
  • Total Pages: 326
  • Publisher: シーエムシー出版