[論文レビュー] An efficient tight-binding mode-space NEGF model enabling up to million atoms III-V nanowire MOSFETs and TFETs simulations

Aryan Afzalian, T. Vasen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2017

Semiconductor materials and devices参考文献 49被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、最大100万原子を扱えるIII-VナノワイヤMOSFETおよびTFETのスケーラブルな原子スケール量子シミュレーションを可能にする、画期的なモード空間非平衡グリーン関数（NEGF）モデルを提示する。従来の実空間TBに代えてモード空間アプローチを採用することで、従来手法に比べ最大10,000倍の高速化を達成しながら、1%未満の誤差を維持し、ナノスケールデバイスにおけるバンドギャップ間トンネル効果の詳細な解析を可能にする。

ABSTRACT

We report the capability to simulate in a quantum mechanical tight-binding (TB) atomistic fashion NW devices featuring several hundred to millions of atoms and diameter up to 18 nm. Such simulations go far beyond what is typically affordable with today's supercomputers using a traditional real space (RS) TB Hamiltonian technique. We have employed an innovative TB mode space (MS) technique instead and demonstrate large speedup (up to 10,000x) while keeping good accuracy (error smaller than 1 percent) compared to the RS NEGF method. Such technique and capability open new avenues to explore and understand the physics of nanoscale and mesoscopic devices dominated by quantum effects. In particular, our method addresses in an unprecedented way the technological relevant case of band-to-band tunneling (BTBT) in III-V nanowire MOSFETs and broken gap heterojunction tunnel-FETs (TFETs). We demonstrate an accurate match of simulated BTBT currents to experimental measurements in a [111] InAs NW having a 12 nm diameter and a 300 nm long channel. We apply the predictivity of our TB MS simulations and report an in-depth atomistic study of the scaling potential of III-V GAA nanowire heterojunction n and pTFETs quantifying the benefits of this technology for low-power, low-voltage CMOS application. At VDD = 0.3 V and IOFF = 50 pA/um, the on-current (Ion) and energy-delay product (ETP) gain over a Si NW GAA MOSFET are 58x and 56x respectively.

研究の動機と目的

• 従来の実空間タイトバインディング法では到達できない、大規模で原子スケールのIII-VナノワイヤMOSFETおよびTFETの量子シミュレーションを可能にすること。
• 最大100万原子および最大18 nmの直径を有するデバイスを処理できる計算効率の高いシミュレーションフレームワークの開発。
• 低消費電力CMOS応用を想定したIII-VナノワイヤヘテロジャンクションTFETにおけるバンドギャップ間トンネル効果（BTBT）の正確なモデル化。
• シリコンベースのデバイスと比較して、ゲートアラウンド（GAA）III-VナノワイヤTFETのスケーリング可能性の評価。
• InAsナノワイヤにおける実験的BTBT電流測定結果と比較し、超低電源電圧下でのデバイス性能を予測・検証すること。

提案手法

• タイトバインディングハミルトニアンをモード空間に表現することで、電子状態を横方向に量子化されたモードに射影し、問題の次元を低減する。
• このモード空間アプローチを非平衡グリーン関数（NEGF）形式と組み合わせ、開放的かつ非平衡状態の量子輸送特性を計算する。
• 横方向と縦方向を分離することで、モード基底においてグリーン関数を効率的に解きつつ、原子スケールの精度を保持する。
• 最小基底セットを用い、対称性を活用することで、実空間TB-NEGFと比較して計算コストを著しく削減する。
• モード基底においても完全なタイトバインディングハミルトニアン構造を保持することで、バンド構造およびトンネル効果の信頼性の高い記述を実現する。
• 並列処理および高性能コンピューティング向けに最適化されており、最大100万原子のデバイスのシミュレーションを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モード空間タイトバインディングNEGFモデルは、100万原子に達するIII-VナノワイヤMOSFETおよびTFETを高精度でシミュレート可能か？
• RQ2 モード空間アプローチは、実空間タイトバインディングNEGFと比較して、計算コストをどの程度低減できるか？
• RQ3 このモデルは、InAsナノワイヤにおける実験的測定済みのバンドギャップ間トンネル電流をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 VDD = 0.3 Vの条件下で、III-V GAAナノワイヤTFETはシリコンベースのデバイスと比較して、オン電流およびエネルギー遅延積（ETP）でどの程度の性能向上を示すか？
• RQ5 III-VヘテロジャンクションTFETは、低電圧・低消費電力CMOS応用において、原子スケールでどの程度のスケーリング可能性を有するか？

主な発見

• モード空間TB-NEGF手法は、従来の実空間TB-NEGFと比較して最大10,000倍の高速化を達成し、輸送特性における誤差は1%未満を維持した。
• モデルは、直径12 nm、[111]方向のInAsナノワイヤ（チャネル長300 nm）における実験的BTBT電流を正確に再現した。
• VDD = 0.3 V、IOFF = 50 pA/µmの条件下で、III-V GAA nTFETのオン電流（Ion）はシリコンナノワイヤMOSFETと比較して58倍高い。
• 同じ条件下で、III-V nTFETのエネルギー遅延積（ETP）はシリコンMOSFETと比較して56倍優れた性能を示した。
• 本研究では、最大100万原子のミクロスコピックデバイスをシミュレートする可能性を実証し、ナノワイヤトランジスタにおける量子効果の詳細な原子スケールの調査を可能にした。
• 結果は、III-V GAAナノワイヤTFETが将来の低消費電力・低電圧CMOS技術に強く有望であることを確認した。