siナノワイヤfetのモンテカルロ...
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SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロのモンテカルロ
シミュレーションと多体効果シミュレーションと多体効果
佐野佐野
伸行,伸行,中西中西
洸平洸平,,唐澤唐澤
貴彦貴彦
筑波大学筑波大学
電子物理工学専攻電子物理工学専攻
NEDO 「ナノエレクトロニクス半導体新材料・新構造ナノ
電子デバイス技術開発」
(再委託)
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
2
応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
2
アウトラインアウトライン
1. はじめに
2. 電子輸送と多体効果(クーロン相互作用)
3. ナノスケールデバイス(DGとGAA)の電子輸送
4. おわりに
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
3
応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
3
はじめにはじめに
2000年代までのストーリー
チャネルの微細化
散乱数の減少準弾道輸送
チャネル長
<
数十 nm
デバイス特性向上デバイス特性向上
0
5
10
15
30 100 300
NMOS [1]FUSI [1]
Gate Length (nm)
Virt
ual S
ourc
e V
eloc
ity (1
06 cm
/s)
Performance Degradation
introduction of technologyboosters such as strain
Khakifirooz and Antoniadis, ED 2008
界面ラフネス散乱
リモートクーロン散乱
不純物散乱
etc.
バリスティック描像の破綻
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
4
応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
4
はじめにはじめに
M.V.Fischetti and S.E.Laux, J.Appl.Phys. 2001
0
5
10
15
30 100 300
NMOS [1]FUSI [1]
Gate Length (nm)
Virt
ual S
ourc
e V
eloc
ity (1
06 cm
/s)
Performance Degradation
introduction of technologyboosters such as strain
一方、(動的な)長距離クーロン相互作用を考慮すれば、
Ballistic transport is a chimera …N. Sano, PRL 2004;
M. V. Fischetti, et al, J. Comp. Electron. 2009
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
5
応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
5
アウトラインアウトライン
1. はじめに
2. 電子輸送と多体効果(クーロン相互作用)
3. ナノスケールデバイス(DGとGAA)の電子輸送
4. おわりに
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
6
応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
6
モンテカルロシミュレーションモンテカルロシミュレーション
F
電子
クーロン相互作用を導入するためには、
=0.9nm=0.9nm
分子動力学+MCシミュレーション
自己無撞着MCシミュレーション
○
フォノン散乱
○
不純物散乱
○
短距離電子電子散乱
×
界面ラフネス散乱
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
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応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
7
0
20
40
60
80
100
120
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Self-Consistent MC
Fixed Potential MC
w/o Coulomb
VG
= 0.5[V](DD)
Drain Voltage VD (V)
Dra
in C
urre
nt I D
(A
)
LS/D
= 40nmL
CH = 20nm
VG
= 0.5 V
輸送機構と多体効果:輸送機構と多体効果:クーロン相互作用クーロン相互作用
• Self-consistent MC (w/ full Coulomb interaction)
• Fixed potential (w/out long-range part of Coulomb interaction)
• No Coulomb interaction (only phonon interaction)
DG-MOSFET
102
103
104
105
10 100
Self-Consistent MCFixed Potential MCw/o CoulombDrift-Diffusion2D-MC: no Coulomb effects2D-MC: full-Coulomb effectsMizuno 1996(t
ox=4.0nm)
Momoseo 1996(tox
=5.0nm)
Sal-Halasz 1987(tox
=4.5nm)
Tran
scon
duct
ance
(S/m
)
Metallurgical Channel Length (nm)
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
8
応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
8
輸送機構と多体効果:輸送機構と多体効果:クーロン相互作用クーロン相互作用
DG-MOSFET
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
LG=40nm V
D =0.8 V
LG
=20nm VD =0.5 V
LG=10nm VD =0.2 V
LG= 5nm V
D =0.1 V
Device Length (%)
Vel
ocity
Dis
tribu
tion
(x10
7 cm/s
ec)
VG = 0.5 V
LSD
= 40 nmFixed Potential MC
Fixed Potential MC
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
LG
=40nm VD =0.8 V
LG=20nm V
D =0.5 V
LG=10nm V
D =0.2 V
LG=5nm V
D =0.1 V
Device Length (%)
Vel
ocity
Dis
tribu
tion
(x10
7 cm/s
ec)
VG = 0.5 V
LSD
= 40 nm
WxH = 20x20 nm2
Self-Consistent MC
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
LG
=40nm VD =0.8 V
LG
=20nm VD =0.5 V
LG=10nm VD =0.2 V
LG= 5 nm VD =0.1 V
Device Length (%)
Vel
ocity
Dis
tribu
tion
(x10
7 cm/s
ec)
VG
= 0.5 V
LSD
= 40 nmw/o Coulomb MC
w/o Coulomb interaction
• as the channel shrinks, the velocity begins to be degraded. intrinsic effects
• momentum relaxation processes due to short-range Coulomb interaction in S/D
• velocity profiles are rather different between the self-consistent and fixed potentials.
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
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応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
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輸送機構と多体効果:輸送機構と多体効果:クーロン相互作用クーロン相互作用
phonon scattering
self-consistent MC fixed potential MC
short-range Coulomb scattering (e-e and impurity)
• potential fluctuations induce phonon interaction in high-doped S/D regions.
• short-range Coulomb scattering is greatly reduced near the source/channel when potential is fixed. momentum randomization becomes extremely weak, and streaming.
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
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応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
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輸送機構と多体効果:輸送機構と多体効果:クーロン相互作用クーロン相互作用
DG-MOSFET
self-consistent MC fixed potential MC
ナノスケールチャネルでも拡散的(準弾道輸送)
高ドープ領域でのエネルギー・運動量緩和
( no elastic back-scattering ! ) Nakanishi, Uechi, Sano, IEDM 2009.
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
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応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
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アウトラインアウトライン
1. はじめに
2. 電子輸送と多体効果(クーロン相互作用)
3. ナノスケールデバイス(DGとGAA)の電子輸送
4. おわりに
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
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応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
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デバイス構造デバイス構造
DG-MOSFET
GAA-MOSFET
=0.9nm
x
y
z
ソース ドレイン
nmtox 9.0
nmH 20
nmW 20
nmLch 20
nmLSD 40
32010 cmND
32010 cmND
31510 cmN A
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
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応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
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ナノスケールデバイスの電子輸送ナノスケールデバイスの電子輸送
DG-MOSFET GAA-MOSFET
xソース ドレイン xソース ドレイン
• velocity distribution greatly spreads in the entire device regions.
• transport in the channel becomes more diffusive, contrary to the usual intuition.
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
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応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
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10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
-8 0 8
GAADG
Velocity (107cm/sec)V
eloc
ity D
istri
butio
n (a
rb.u
nits
)
close to drain
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
-8 0 8
GAADG
Velocity (107cm/sec)
Vel
ocity
Dis
tribu
tion
(arb
.uni
ts)
center of channel
ナノスケールデバイスの電子輸送ナノスケールデバイスの電子輸送
Source Drain
• ballistic peaks are greatly suppressed in the channel and wide velocity distribution.
transport in the channel becomes more diffusive due to small αb . N. Sano, PRL 2004.
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
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応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
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ナノスケールデバイスの電子輸送ナノスケールデバイスの電子輸送
DG-MOSFET GAA-MOSFET
(cm-3)
ソース
ドレイン
ソース
ドレイン
electrons reside close to the gate oxides.
electrons reside close to the edges, yet
spread over the wide regions.
Time averaged electron density
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
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応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
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ナノスケールデバイスの電子輸送ナノスケールデバイスの電子輸送
Band-tailing due to potential fluctuations
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
-0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1
virtual sourcecenter of channelno fluctuation
Den
sity
of s
tate
s (a
rb.u
nits
)
Energy (eV)
GAA
20x20V
d = 0.5 V
Vg = 0.5 V
0
20
40
60
80
100
120
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Drain
Dis
tribu
tion
(arb
. uni
ts)
Potential energy (eV)
DG
• Large band-tailing in the effective DOS
spreads the velocity distribution
though somewhat exaggerated …
Gaussian probability distribution
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
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応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
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アウトラインアウトライン
1. はじめに
2. 電子輸送と多体効果(クーロン相互作用)
3. ナノスケールデバイス(DGとGAA)の電子輸送
4. おわりに
SiSiナノワイヤナノワイヤFETFETのモンテカルロシのモンテカルロシ
ミュレーションと多体効果ミュレーションと多体効果
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応用物理学会応用物理学会 20202020~~3030年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える年代のナノエレクトロニクスデバイスの本命を考える 20102010年年33月月1919日日高速電子デバイス技術動向調査委員会 (2010.02.05)
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おわりにおわりに
デバイスサイズのナノスケール化に伴って、クーロン相互作用の
影響が顕著化
チャネル電子のドリフト速度(相互コンダクタンス)の劣化
散乱と物理機構、チャネルポテンシャルの変調
DGおよびGAA
MOSFETでの電子輸送特性
ゲートによる制御
→
直感に反して、より拡散的?
今後の超難題:
ナノデバイスでの量子閉じ込め?
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