[论文解读] 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 7

一句话总结

本论文提出了一种新颖的紧束缚模式空间非平衡格林函数（NEGF）模型，可实现对含多达一百万个原子的III-V族纳米线MOSFET和TFET的大规模原子级量子模拟。通过用模式空间方法替代传统的实空间紧束缚方法，该方法在保持亚1%精度的同时，相较于传统方法实现了高达10,000倍的加速，从而能够详细研究纳米尺度器件中的隧穿带对带隧穿效应。

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.

研究动机与目标

• 为了实现传统实空间紧束缚方法难以处理的大规模、原子级III-V族纳米线MOSFET和TFET的量子模拟。
• 开发一种计算高效的模拟框架，能够处理多达一百万个原子、直径达18 nm的器件。
• 准确模拟III-V族纳米线异质结TFET中的带对带隧穿（BTBT），以支持低功耗CMOS应用。
• 量化栅极全环绕（GAA）III-V族纳米线TFET相对于硅基器件的缩放潜力。
• 通过与InAs纳米线中的实验BTBT电流测量结果对比，验证模型并预测超低电源电压下的器件性能。

提出的方法

• 该方法采用紧束缚哈密顿量的模式空间表示，通过将电子态投影到横向量子化模式上，降低了问题的维度。
• 结合模式空间方法与非平衡格林函数（NEGF）形式化，用于计算开放、非平衡系统中的量子输运性质。
• 该技术将横向与纵向方向解耦，使得在模式基下能高效求解格林函数，同时保持原子级精度。
• 该模型采用最小基组并利用对称性，与实空间TB-NEGF相比，显著降低了计算成本。
• 通过在模式基中保持完整的紧束缚哈密顿量结构，该方法确保了能带结构和隧穿效应的可靠描述，从而维持高精度。
• 该方法已实现并行化并针对高性能计算进行了优化，可实现多达一百万个原子的器件模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 模式空间紧束缚NEGF模型是否能够在保持高精度的前提下，模拟含多达一百万个原子的III-V族纳米线MOSFET和TFET？
• RQ2 与实空间紧束缚NEGF相比，模式空间方法在多大程度上降低了计算成本？
• RQ3 该模型在多大程度上能准确再现InAs纳米线中实验测得的带对带隧穿电流？
• RQ4 在VDD = 0.3 V条件下，III-V族GAA纳米线TFET在开启电流和能量延迟积方面相较于硅基器件的性能提升如何？
• RQ5 III-V族异质结TFET在原子尺度上对低电压、低功耗CMOS应用的缩放潜力如何？

主要发现

• 模式空间TB-NEGF方法相较于传统实空间TB-NEGF，实现了高达10,000倍的加速，同时在输运性质上的误差小于1%。
• 该模型准确再现了直径12 nm、[111]取向的InAs纳米线（通道长度300 nm）中的实验带对带隧穿电流。
• 在VDD = 0.3 V且IOFF = 50 pA/µm条件下，III-V族GAA nTFET的开启电流（Ion）比硅纳米线MOSFET高出58倍。
• 在相同条件下，III-V族nTFET的能量延迟积（ETP）比硅MOSFET低56倍。
• 本研究证明了对含多达一百万个原子的介观器件进行模拟的可行性，从而实现了对纳米线晶体管中量子效应的详细原子级研究。
• 结果证实了III-V族GAA纳米线TFET在面向未来低功耗、低电压CMOS技术中的巨大潜力。