2016 Fiscal Year Annual Research Report
Coulomb Interaction in Atomic-Layer FET Devices and Realistic Prediction of Device Characteristics
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15H03983
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
佐野 伸行 筑波大学, 数理物質系, 教授 (90282334)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 先端機能デバイス / デバイスシミュレーション / クーロン相互作用 / ナノ構造 / 離散不純物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 昨年度に引き続き、クーロン相互作用を正確に考慮した当該グループのモンテカルロ・シミュレータを単原子層半導体が扱えるように拡張を進めた。当初、単原子層を厚みのない理想的な２次元系を想定していたが、ポアソン方程式と結合するうえで、単原子層の有限の暑さを考慮することが、デバイス全域にわたる現実的なポテンシャル形状や、絶縁膜を非対称に用いることで実験的に実証されている高移動度等、を説明するうえで本質的に重要である可能性を見出した。そこで、当該グループの自己無撞着モンテカルロ・シミュレータのチャネル領域に有限厚みを持たせるようにシミュレータの修正を進めた。
(2) 上述の自己無撞着モンテカルロ・シミュレータとは独立に、昨年度構築した理想的２次元系のモンテカルロ・シミュレータにデバイス構造を組み込むための検討を開始した。具体的には、ソースおよびドレインを理想的な熱浴と仮定し、簡易なデバイス構造のもとでのシミュレーションを可能にした。
(3) 高エネルギー化した電子系によって生じる熱のデバイス特性への影響を明確にするために、熱の影響を加味したシミュレータを構築した。具体的には、電子系の実効的温度をモンテカルロ・シミュレーションよりMaxwell分布を想定して抽出し、その温度で熱的に格子が平衡状態にあると仮定することで、フォノンの統計分布を変調させ、その変調させたフォノン統計分布のもとでさらにモンテカルロ・シミュレーションを実施する。
(4) ナノ構造のもとでの空間的に局在した離散不純物に伴ったポテンシャル変調のモデル化に関する理論的検討を開始した。その結果、不純物を離散分布させることで生じる長さのスケールにおいて、ポアソン方程式で想定されている長さのスケールと輸送方程式で想定されている長さのスケールがデバイスシミュレーションの枠組みのなかで不整合であることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
単原子層の有限の厚さを考慮することが、デバイス全域にわたる現実的なポテンシャル形状や異なる絶縁膜を非対称に用いることで実現する高移動度等、を説明するうえで本質的であることが判明した。そこで、当初の予定を変更してシミュレータの修正が必要となり、自己無撞着モンテカルロシミュレーションに関する研究でやや遅れが生じた。しかしながら、昨年度構築した理想的２次元膜のモンテカルロ・シミュレータを用いた高電界効果や熱効果に関する研究は継続して推進しており、研究は順調に進捗していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 単原子層を想定したチャネル領域に有限厚みをもたせた自己無撞着モンテカルロ・シミュレータの安定動作を確認したうえで、チャネルの厚さを変数としてデバイス特性をシミュレーション解析する。そのうえで、理想的な２次元系での輸送特性との比較を通して、デバイス特性への有限厚さの影響を物理的観点から考察する。さらに、高濃度領域での長距離クーロン相互作用（ダイナミカルな遮蔽効果）のデバイス特性への影響を検討する。
(2) 上述の自己無撞着モンテカルロ・シミュレータとは独立に当該プロジェクトで構築した、理想的２次元系のモンテカルロ・シミュレータを用いて、高エネルギー化した電子系による格子への熱輸送を解析し、電子系への熱的フィードバックを考察する。そのうえで、実験で報告されている高エネルギー電子による基盤の温度上昇の理論的解釈を試みる。
(3) 昨年度見出した、デバイスシミュレーションの理論的枠組みの中での長さのスケールの不整合性に関する検討を推進する。これは、離散不純物に限らず、局所的に乱れがある場合のポテンシャル変調の物理モデル化に直結しており、すべてのナノスケールデバイス構造のデバイス特性において大きな影響を及ぼし得る。輸送方程式とポアソン方程式で想定されている長さのスケールを第一原理に基づいて整理したうえで、デバイスシミュレーションで整合性を保つようにシミュレーションの理論的枠組みの再構築を行う。そのうえで、モンテカルロ法およびドリフト拡散法で整合性を保持した離散不純物モデルの必要条件を明らかにする。この物理モデルを自己無撞着モンテカルロシミュレータに導入して、その正当性を検証する。
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