Machine learning assisted simulation and optimization of atomic layer channel based FETs

• Project Area: Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity
• Project/Area Number: 19H04546
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 相馬 聡文 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (20432560)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 機械学習 / デバイスシミュレーション / 非平衡グリーン関数法 / デバイス最適化設計 / 半導体デバイス / シミュレーション / 強束縛近似バンド構造計算 / 原子層物質チャネルFET / 最適化設計

Outline of Research at the Start

現在の情報通信技術を支えているシリコンMOSFETの微細化限界を克服する戦略として期待される原子層新材料をチャネル材料として用いるFETの開発に向け，項目１：材料パラメータ（特に強束縛近似法パラメータ）の機械学習を応用した低計算負荷抽出，項目２：FETのパフォーマンス最適化のための，デバイスシミュレータと機械学習を組み合わせた探索手法の確立，項目３：上記項目１，２を用いた，原子層新材料FET 制御における最適な歪み・結晶方位・結晶粒界・層数といった因子の組み合わせの探索を行い，それを広く日本の産学界に提供し，未来の情報通信技術社会の更なる発展に貢献する．

Outline of Annual Research Achievements

機械学習を原子膜デバイスのシミュレーションと最適化設計に応用する事を目的に，これまで，非平衡グリーン関数（NEGF）法に基づくデバイスシミュレーションを畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を用いて高速化する手法を確立してきたが，これまでは散乱を考慮しないコヒーレント輸送を前提としていた．より現実的なシミュレーションのためには電子フォノン散乱などの散乱機構を考慮に入れる必要がある．そこで，散乱を考慮したNEGF法に基づくデバイスシミュレーションにおいて機械学習手法，特にニューラルネットワーク（NN）モデルを用いる事によりシミュレーションを高速化する手法についての検討を行った．具体的には，散乱のある場合の電流計算に必要となる非平衡状態での相関グリーン関数（占有状態，非占有状態共）のスペクトル分布（各エネルギー毎の値）が，散乱の無いコヒーレント輸送の場合には大きな計算負荷を要せず（あるいは開発済みのコヒーレント輸送用のNEGF機械学習モデルを用いる事により更に高速に）計算される事，及び，散乱のある場合の上記のスペクトル分布が散乱強度等によって系統的な影響を受ける事に注目し，それらの間の対応関係をNNによって学習させる手法を提案し，この手法によって散乱のある場合の電流がNNモデルによってある程度の精度で低計算負荷に推論可能になる事を明らかにした．　更に，機械学習を用いる事によるデバイス性能予測とデバイス探索のための一般的なフレームワーク検討として，NNを用いる事により，与えられた素子パラメータに対するデバイス特性を直接的に予測するための一般的なモデルを提案し，高い精度で予測可能であることを明らかにした．また，その逆問題として，所望のデバイス性能が与えられた時にそれを実現するデバイスパラメータを抽出するための一般的なモデルも提案，その実用性を示した．

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] High-Temperature Operation of a Quantum Cascade Laser With Definite Parity of the Wave Functions (2021)
  • Author(s): Kato Takashi、Mori Hiroki、Yoshinaga Hiroyuki、Souma Satofumi
  • Journal Title: IEEE Photonics Technology Letters Volume: 33 Issue: 10 Pages: 507-510
  • DOI: 10.1109/lpt.2021.3071484
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transient simulation of graphene FET gated by electrolyte medium (2020)
  • Author(s): Arihori Koki、Ogawa Matsuto、Souma Satofumi、Sato-Iwanaga Junko、Suzuki Masa-aki
  • Journal Title: Proceedings of 2020 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD) Volume: 2020 Pages: 367-370
  • DOI: 10.23919/sispad49475.2020.9241691
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tight-binding simulation of optical gain in h-BCN for laser application (2020)
  • Author(s): Maki Daisuke、Ogawa Matsuto、Souma Satofumi
  • Journal Title: Proceedings of 2020 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD) Volume: 2020 Pages: 153-156
  • DOI: 10.23919/sispad49475.2020.9241689
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Acceleration of nonequilibrium Green’s function simulation for nanoscale FETs by applying convolutional neural network model (2020)
  • Author(s): Souma Satofumi、Ogawa Matsuto
  • Journal Title: IEICE Electronics Express Volume: 17 Issue: 4 Pages: 20190739-20190739
  • DOI: 10.1587/elex.17.20190739
  • NAID: 130007801892
  • ISSN: 1349-2543
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impact of electron-phonon scattering on the strain-induced current-blocking effect in graphene field-effect transistors (2020)
  • Author(s): Souma Satofumi、Ogawa Matsuto
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 127 Issue: 9 Pages: 094304-094304
  • DOI: 10.1063/1.5133860
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Application of deep neural network for the simulation of nanoscale FETs based on non-equilibrium Green's function method (2021)
  • Author(s): Satofumi Souma and Matsuto Ogawa
  • Organizer: The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transient simulation of graphene FET gated by electrolyte medium (2020)
  • Author(s): Koki Arihori, Matsuto Ogawa, Satofumi Souma, Junko Sato-Iwanaga, Masa-aki Suzuki
  • Organizer: 2020 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tight-binding simulation of optical gain in h-BCN for laser application (2020)
  • Author(s): Daisuke Maki, Matsuto Ogawa, Satofumi Souma
  • Organizer: 2020 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simulation of graphene photodetectors incorporating the photo-gating effect (2020)
  • Author(s): Shingo Aida, Matsuto Ogawa, and Satofumi Souma
  • Organizer: EEE IMFEDK 2020 Satellite event for young researchers
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Consideration of scattering process in nanoscale device simulation based on top of barrier model (2020)
  • Author(s): Ren Tanaka, Matsuto Ogawa, and Satofumi Souma
  • Organizer: EEE IMFEDK 2020 Satellite event for young researchers
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 畳み込みニューラルネットワークを応用したナノスケールデバイスシミュレーションの高速化に関する検討 (2020)
  • Author(s): 相馬 聡文、小川 真人
  • Organizer: 2020年第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] h-BCNを活性層に用いた半導体レーザーの光増幅利得における層数依存性に関する数値解析 (2020)
  • Author(s): 牧 大介、小川 真人、相馬 聡文
  • Organizer: 2020年第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 電解質媒体をゲート制御に用いたグラフェンFETの過渡応答特性シミュレーション (2020)
  • Author(s): 有堀 光貴、岩永 順子、鈴木 正明、小川 真人、相馬 聡文
  • Organizer: 2020年第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] イオン液体をゲート制御に用いたグラフェン FET の電気伝導特性シミュレーション (2019)
  • Author(s): 有堀 光貴，小川 真人, 相馬 聡文
  • Organizer: 応用物理学会関西支部2019年度第1回講演会
• [Presentation] h-BCNを活性層に用いた半導体レーザーの光増幅利得シミュレーション (2019)
  • Author(s): 牧 大介，小川 真人，相馬 聡文
  • Organizer: 応用物理学会関西支部2019年度第1回講演会
• [Presentation] ナノスケールデバイスシミュレーションのための機械学習の応用に関する検討 (2019)
  • Author(s): 相馬 聡文、有堀 光貴、牧 大介、小川 真人
  • Organizer: 2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Simulation of Optical Gain in Semiconductor LaserStructure with h-BCN Active Layer (2019)
  • Author(s): Daisuke Maki, Matsuto Ogawa, and Satofumi Souma
  • Organizer: International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai (IMFEDK 2019)
• [Presentation] Simulation of Graphene FET Gated by Ionic Liquid (2019)
  • Author(s): Koki Arihori, Matsuto Ogawa, Satofumi Souma, and Junko Sato-Iwanaga
  • Organizer: International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai (IMFEDK 2019)