[論文レビュー] Towards Multi-Scale Modeling of Carbon Nanotube Transistors

Jing Guo, Supriyo Datta+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2003

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 28被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、炭素ナノチューブ場効果トランジスタ（CNTFET）のためのマルチスケールシミュレーションフレームワークを提示する。非平衡グリーン関数（NEGF）形式を用い、原子的およびモード空間的手法を統合することで、バルトロン量子輸送をモデル化する。本研究では、CNTFETにおける量子効果の正確なシミュレーションを実現し、デバイスレベルのシミュレーションをab initio、連続体および回路レベルのモデルと統合する道筋を提示する。

ABSTRACT

Multiscale simulation approaches are needed in order to address scientific and technological questions in the rapidly developing field of carbon nanotube electronics. In this paper, we describe an effort underway to develop a comprehensive capability for multiscale simulation of carbon nanotube electronics. We focus in this paper on one element of that hierarchy, the simulation of ballistic CNTFETs by self-consistently solving the Poisson and Schrodinger equations using the non-equilibrium Greens function (NEGF) formalism. The NEGF transport equation is solved at two levels: i) a semi-empirical atomistic level using the pz orbitals of carbon atoms as the basis, and ii) an atomistic mode space approach, which only treats a few subbands in the tube-circumferential direction while retaining an atomistic grid along the carrier transport direction. Simulation examples show that these approaches describe quantum transport effects in nanotube transistors. The paper concludes with a brief discussion of how these semi-empirical device level simulations can be connected to ab initio, continuum, and circuit level simulations in the multi-scale hierarchy.

研究の動機と目的

• ナノチューブベースのデバイスの急速な進歩に伴い、炭素ナノチューブエレクトロニクスにおけるマルチスケールシミュレーションの需要が高まっていることを踏まえ、これを満たす。
• 単一スケールモデルの限界を克服するため、原子的量子輸送を高レベルのデバイスおよび回路モデルと統合する。
• ポアソン方程式とシュレーディンガー方程式を自己無撞着に解くことで、バルトロンCNTFET用の自己無撞着なシミュレーションフレームワークを開発する。
• スケーラブルな計算的手法を用いて、炭素ナノチューブにおける量子輸送効果を正確にモデル化することを可能にする。
• 原子的、連続体、回路レベルのシミュレーションを結ぶ階層的モデリングパイプラインを確立する。

提案手法

• CNTFETにおける量子輸送問題を解くために、非平衡グリーン関数（NEGF）形式を適用する。
• 半経験的原子的シミュレーションのための、炭素原子のpz軌道を基底とする。
• 輸送方向に原子的分解能を保ちながら、円周方向には少数のサブバンドのみを扱う原子的モード空間手法を実装する。
• 電界と電子輸送をモデル化するため、ポアソン方程式とシュレーディンガー方程式を自己無撞着に解く。
• 原子的デバイスシミュレーションをab initio、連続体および回路レベルのモデルと接続することで、マルチスケール階層を構築する。
• 計算効率を高めるために、NEGF形式を2段階のレベルで利用する：詳細な原子的モデルと、低次元化されたモード空間モデル。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルトロン量子輸送を、マルチスケールフレームワークを用いてどのように正確にモデル化できるか？
• RQ2 自己無撞着なNEGFシミュレーションを用いた場合、CNTFETで観測可能な主要な量子輸送効果は何か？
• RQ3 原子的シミュレーションを、正確性を損なわずに、現実的なデバイス動作をモデル化するためにどのように効率的にスケーリングできるか？
• RQ4 円周方向のサブバンド構造が、CNTFETにおける輸送特性を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 デバイスレベルのシミュレーションを、一貫性のあるマルチスケール階層においてab initio、連続体および回路レベルのモデルと体系的に接続するにはどうすればよいか？

主な発見

• 半経験的原子的NEGF手法は、現実的なデバイスパラメータを用いて、CNTFETにおける量子輸送効果を的確に捉えている。
• モード空間手法は、物理的本質を保持しつつ複雑さを低減する計算的に効率的な代替手段を提供する。
• ポアソン方程式とシュレーディンガー方程式の自己無撞着な解法により、ナノチューブチャネル内の静電ポテンシャルおよび電子分布の正確なモデル化が可能になった。
• シミュレーション結果は、理論的予想と整合的であり、CNTFETにおける明確なバルトロン輸送特性および量子化されたコンダクタンスを示している。
• 本フレームワークにより、原子的デバイスシミュレーションをab initioおよび回路レベルのシミュレーションといった高レベルのモデルと統合するスケーラブルな道筋が得られた。
• 提案されたマルチスケール階層により、複数の長さスケールおよび時間スケールでデバイス挙動を体系的に調査することが可能になった。