京コンピューターを用いたアトミスティック・デバイスシミュレータの開発

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25289102
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 小川 真人 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40177142)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 相馬 聡文 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20432560)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: ナノトランジスタシミュレーション / 電子構造計算 / 非平衡Green関数 / マルチスケールシミュレーション / 強束縛近似法

Research Abstract

(1) 最良基底展開を用いたシミュレータ高速化
プロトタイプシミュレータでは数値計算に有限差分法(FDM:Finite Difference Method) を用いてきたが，たとえ高次の近接点を用いてもデバイス内のエネルギー固有値や電位計算の計算精度をあげることは困難である．これに対して新たに開発したBPSM(Bridge Function Psuedo Spectral) 法を用いると，FDM の半分の節点数に対して同じ精度を得ることができることが現在分かっている ．ナノデバイスの特性計算にはエネルギー固有値，電位分布の繰り返し収束計算が必要で，かつ高い精度が要求されるため，たとえ有効質量近似でもFDM を用いている限りは計算精度，収束性ともにBPSM に及ばないことも明らかになっている．現在，有効質量近似下で有限要素法(FEM)とBPSMとを組み合わせた手法で，従来のFDMの40倍の速度で計算出来ることが明ん化になっている．
(2)材料原子の特性を反映した原子論的シミュレーションプログラムの開発
現在のプロトタイプシミュレータをシリコンと化合物半導体との複合構造デバイスにも対応し得る汎用性を持たせるために，最近接相互作用の範囲内で，ダイヤモンド，閃亜鉛鉱構造，六方晶系の結晶系に対する強結合(TB) 近似ハミルトニアンを第一原理密度汎関数法によるバンド構造計算結果をパラメータ化する手法(変分法に基づくアルゴリズム : VariationalAlgorithm(VA)) により生成し，InAs, InSb, GaAs, SiGe, Graphene 等，現在シリコン系デバイスに複合材料として導入され始めている半導体結晶の電子状態の解析に使うことができる強束縛近似パラメータの抽出を行っている．

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成25年度に遂行するとして掲げている(1) 最良基底展開を用いたシミュレータ高速化と(2)材料原子の特性を反映した原子論的シミュレーションプログラムの開発に関しては，実績概要に掲げている通りに，順調に進展している．今後は，平成26年度に実行する予定の項目につき個々に達成する予定である．

Strategy for Future Research Activity

平成25年度に達成した項目(1),(2)をもとに(3)超並列化BPSM 解法ルーチンの作成および(4)超並列化Jacobi-Davidson 型固有値問題解法ルーチンの作成を行い，現実にナノ構造トランジスタを構成している原子数(数万個～数十万個)を取り扱い，電子の輸送特性を解析することができる解法ルーチンを構築する方向で研究を進める．

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

神戸大学のFX-10（京コンピュータの一筐体）を利用することが可能となったため，京コンピュータの使用料がこの間必ずしも必要でなくたったとともに，研究室に準備すべきクライアントワークステーションの設置がこの間不要となったため．
平成26年度(2014年度)は，本格的に京コンピュータを使用する予定のために昨年度使用せずに当該年度に使用するためにプールした額を研究室に準備すべきクライアントワークステーションの設置と京コンピュータに使用する予定である．

Research Products

• [Journal Article] Effect of lateral strain on gate induced control of electrical conduction in single layer graphene device (2014)
  • Author(s): Y. Ohmai, S. Souma, and M. Ogawa
  • Journal Title: J. Computational Electon. Volume: 12 Pages: 170-174
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Channel Length Scaling Limits of III-V Channel MOSFETs Governed by Source-Drain Direct Tunneling (2014)
  • Author(s): S. Koba, M. Ohmori, Y. Maegawa, H. Tsuchiya, Y. Kamakura, N. Mori, and M. Ogaw
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 53 Pages: 04EC10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical Performance Estimation of Silicen, Germanene, and Graphen Nanoribbon Field-Effect Transistors under Ballistic Transport (2014)
  • Author(s): S. Kaneko, H. Tsuchiya, Y. Kamakura, N. Mori, and M. Ogawa
  • Journal Title: Applied Phys. Express Volume: 7 Pages: 035102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Computational Study on Band Structure Engineering using Graphene Nanomeshes (2013)
  • Author(s): R. Sako, N. Hasegawa, H. Tsuchiya, and M. Ogawa
  • Journal Title: J. Appl. Phys. Volume: 113 Pages: 143702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Increased Subthreshold Current due to Source-Drain Direct Tunneling in Ultrashort Channel III-V Metal-Oxid-Semiconductor Field-Effect Transistors (2013)
  • Author(s): S. Koba, M. Ohmori, Y. Maegawa, H. Tsuchiya, Y. Kamakura, N. Mori, and M. Ogaw
  • Journal Title: Appl. Phys. Express Volume: 6 Pages: 064301
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Performance projections of III-V channel nanowire nMOSFETs in the ballistic transport limit (2013)
  • Author(s): K. Shimoida, H. Tsuchiya, Y. Kamakura, N. Mori, and M. Ogawa
  • Organizer: Int'l Conf on Solid State Devices and Materials (SSDM2013)
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 20130924-20130927
• [Presentation] Effect of lateral strain on electronic transport in graphene: interplay between band gap formation and pseudo magnetic field effect (2013)
  • Author(s): M. Ueyama, M. Ogawa, and S. Souma
  • Organizer: 5th Int'l Conf. on Recent Progress in Graphene Research 2013
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130909-20130909
• [Presentation] Effect of Axial Strain on Switching Behavior of Carbon Nanotube Tunneling Field Effect Transistors (2013)
  • Author(s): T. Nakano, H. Nagai, S. Souma, and M. Ogawa
  • Organizer: International Workshop on Computational Eelctronics 2013
  • Place of Presentation: 奈良公会堂
  • Year and Date: 20130604-20130607
• [Presentation] Quantum Dynamical Simulation of Photo-Induced Graphene Switch (2013)
  • Author(s): T. Akiyama, M. Ueyama, E. Nishimura, M. Ogawa, and S. Souma
  • Organizer: International Workshop on Computational Eelctronics 2013
  • Place of Presentation: 奈良公会堂
  • Year and Date: 20130604-20130607
• [Presentation] 強結合分子動力学方を用いたグラフェンナノリボンの機械的変形と電子状態に関するシミュレーション
  • Author(s): 貝野昭造、相馬聡文、小川真人
  • Organizer: 電子情報通信学会
  • Place of Presentation: 東京
• [Remarks] Multiband Simulation of Quantum Transport
  • URL: http://www2.kobe-u.ac.jp/~lerl2/j_research01.html
• [Remarks] Optical Properties of QWR and QDs
  • URL: http://www2.kobe-u.ac.jp/~lerl2/j_research02.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 特許 (2013)
  • Inventor(s): 喜多隆、小川真人
  • Industrial Property Rights Holder: 喜多隆、小川真人
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 第5500540号
  • Filing Date: 2013-07-27
  • Acquisition Date: 2014-03-20