[論文レビュー] Electron-Phonon Scattering in Planar MOSFETs: NEGF and Monte Carlo Methods

Himadri S. Pal, Dmitri E. Nikonov+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2012

Semiconductor materials and devices参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、平面型 MOSFET の非平衡グリーン関数（NEGF）フレームワークに電子-フォノン散乱を組み込むための計算的に効率的な形式を提示している。これは横方向運動量モードの和を近似することで、ナノスケールからミクロンスケールのデバイス寸法にわたり、散乱を伴う量子輸送を正確にシミュレート可能にする。さまざまなチャネル長およびバイアス条件において、モンテカルロシミュレーションと優れた一致を示しており、弾性および非弾性散乱プロセスの両方の検証がなされている。

ABSTRACT

A formalism for incorporating electron-phonon scattering into the nonequilibrium Green's function (NEGF) framework that is applicable to planar MOSFETs is presented. Restructuring the NEGF equations in terms of approximate summation of transverse momentum modes leads to a rigorous and efficient method of solution. This helps to drastically reduce the computational complexity, allowing treatment of both quantum mechanics and dissipative electron-phonon scattering processes for device sizes from nanometers to microns. The formalism is systematically benchmarked against Monte Carlo solutions of the classical Boltzmann transport for model potential profiles. Results show a remarkably close agreement between the two methods for variety of channel lengths and bias conditions, both for elastic and inelastic scattering processes.

研究の動機と目的

• 平面型 MOSFET の NEGF フレームワークに電子-フォノン散乱を厳密かつ計算的に効率的に組み込むための手法を開発すること。
• 非弾性散乱を含む量子輸送の正確なモデリングを維持しつつ、NEGF シミュレーションの計算複雑性を低減すること。
• 横方向運動量モードの近似を用いた NEGF 方程式の再定式化により、ナノメートルからミクロンまでの広範なデバイスサイズにおけるデバイス動作のシミュレーションを可能にすること。
• さまざまなポテンシャルプロファイルにおけるボルツマン輸送の古典的モンテカルロ解との系統的比較を通じて、NEGF アプローチをベンチマークすること。
• さまざまなバイアスおよびチャネル長条件下での弾性および非弾性散乱プロセスの両方に対して、この手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 横方向運動量モードの和を近似することで、NEGF 形式を再構築し、計算複雑性を顕著に低減する。
• この手法は、NEGF フレームワーク内での電子-フォノン散乱の厳密な取り扱いを維持しており、散乱を伴うプロセスの正確なモデリングを可能にする。
• このアプローチにより、現実的な散乱率およびポテンシャルプロファイルを有する平面型 MOSFET における量子輸送のシミュレーションが可能になる。
• モデル化されたポテンシャルプロファイルに対して、古典的ボルツマン輸送方程式のモンテカルロ解と、形式をベンチマークする。
• 複数のデバイス長およびバイアス条件において比較を行い、弾性および非弾性散乱領域における精度を評価する。
• 横方向モード近似を活用することで、ナノメートルスケールからミクロンスケールのデバイスにまでスケーラブルなシミュレーションが可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平面型 MOSFET の NEGF フレームワークに、電子-フォノン散乱を正確かつ効率的に組み込むことは可能か？
• RQ2 NEGF における横方向運動量モード近似は、計算コストの低減を図りながらも精度を保持するか？
• RQ3 古典的ボルツマン輸送に対するモンテカルロシミュレーションと比較して、電子-フォノン散乱を組み込んだ NEGF 法はどの程度一致するか？
• RQ4 提案手法は、さまざまなチャネル長およびバイアス条件下で弾性および非弾性散乱プロセスをモデリングできるか？
• RQ5 この形式を用いた NEGF アプローチは、ナノメートルからミクロンまでのデバイス寸法にスケーラブルか？

主な発見

• 横方向運動量モード近似を用いた NEGF 法は、計算複雑性を顕著に低減しつつも、高い精度を維持している。
• 形式は、広範なチャネル長およびバイアス条件において、モンテカルロ解と顕著に近い一致を示している。
• この手法は、平面型 MOSFET における弾性および非弾性電子-フォノン散乱プロセスを正確に捉えている。
• ベンチマーク結果により、現実的なデバイス幾何形状における散乱を伴う量子輸送のシミュレーションに、NEGF アプローチの妥当性が確認された。
• この手法により、ナノスケールからミクロンスケールのデバイス寸法にわたり、信頼性の高いデバイス動作のシミュレーションが可能となり、計算デバイスモデリングにおける重要なギャップを埋めている。
• さまざまなポテンシャルプロファイルおよび動作条件において、NEGF とモンテカルロの結果が一貫して一致しており、このアプローチの妥当性が検証された。