ナノ構造デバイスの原子論的量子輸送モデリングに関する研究

纳米结构器件原子量子输运建模研究

基本信息

批准号：
10J00804
负责人：
山田吉宏
金额：
$ 0.9万
依托单位：
Kobe University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

シリコンナノワイヤトランジスタの原子論的フォノン散乱移動度シミュレータを開発した。最初に、sp^3d^5s^*モデルによる強束縛近似法からシリコンナノワイヤの電子バンド構造を計算するプログラムを開発した。そして、第一原理計算法から計算されたバンド構造と比較して妥当な計算結果であることを確認した。次に、Keatingポテンシャルによるフォノンバンド構造の計算手法を開発した。強束縛近似法とKeatingポテンシャルから計算された電子/フォノンバンド構造と原子波動関数/原子振動ベクトルを用いて、原子論的な電子-フォノン摂動ハミルトニアンを計算する方法を開発した。最終的に、フェルミの黄金律からパウリの排他律を取り入れたフォノン散乱確率の計算を行い、線形化されたボルツマン方程式からシリコンナノワイヤトランジスタにおけるフォノン散乱移動度の計算するシミュレータを開発した。また、シミュレーションプログラムの並列化を行い、大型並列計算機で実行可能なプログラムを開発した。一方、これまでの解析的フォノン散乱モデルとして、有効質量近似による電子バンド構造と経験的パラメータによる変形ポテンシャルを仮定したフォノン散乱確率/移動度を計算するシミュレータも開発した。三角形メッシュ分割を行い有限要素法によるシュレーディンガー方程式とポアソン方程式の高精度離散化手法を開発し自己無撞着計算を実施した。原子論的フォノン散乱モデルと解析的フォノン散乱モデルで、移動度の直径・方向依存性を解析した結果、直径サイズが小さくなるにつれて解析的フォノン散乱モデルがその有効性を失い、原子論的モデルが有効であることを示した。さらに、<110>方向が最も移動度が高く直径が3nm以下の極微細ナノワイヤトランジスタにおいて優れた電気伝導性を有することを示した。

我们开发了一种用于硅纳米线晶体管的原子声子散射迁移率模拟器。首先，我们开发了一个程序，使用 sp^3d^5s^* 模型，使用紧束缚近似方法来计算硅纳米线的电子能带结构。与使用第一性原理计算方法计算的能带结构进行比较，结果被证实是有效的。接下来，我们开发了一种使用基廷势计算声子能带结构的方法。我们开发了一种使用强束缚近似方法和根据基廷势计算的电子/声子能带结构和原子波函数/原子振动矢量来计算原子电子声子扰动哈密顿量的方法。最后，我们通过结合泡利不相容定律和费米黄金法则来计算声子散射概率，并开发了一个模拟器，可以根据线性玻尔兹曼方程计算硅纳米线晶体管中的声子散射迁移率。我们还将模拟程序并行化，并开发了可以在大型并行计算机上执行的程序。另一方面，作为分析声子散射模型，我们还开发了一个模拟器，可以计算声子散射概率/迁移率，假设基于有效质量近似的电子能带结构和基于经验参数的变形势。我们利用三角网格划分的有限元方法开发了薛定谔方程和泊松方程的高精度离散化方法，并进行了自洽计算。使用原子声子散射模型和解析声子散射模型分析迁移率的直径和方向依赖性，结果发现，随着直径尺寸的减小，解析声子散射模型失去有效性，原子模型也失去有效性事实证明这是有效的。此外，我们还发现<110>方向具有最高的迁移率，并且直径为3 nm或更小的超细纳米线晶体管具有优异的导电性。