極微細トランジスタ中における準弾道電子+準弾道フォノン系の統合シミュレーション

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チャネル長10nm級のSi-MOSFETを対象に、内部で発生する非平衡光学フォノン分布(ホットスポット)の形成機構およびそれが素子電気特性に与える影響を高精度数値シミュレーションの活用により解析した。使用したシミュレーション手法は、分子動力学法とモンテカルロ法である。分子動力学法を活用した解析では、SiO_2/Si界面に閉じ込められたSiナノ構造中の局所的な熱エネルギーがどのような拡散機構を示すのか、その過渡状態の動的過程を詳細に調べた。酸化膜厚およびSi膜厚を様々に変化させながらシミュレーションを行い熱拡散速度のサイズ依存性を調査したところ、熱拡散速度は酸化膜厚には依存せず、Si膜厚のみでほぼ決まると考えて良いことが新たに判明した。一方、モンテカルロ法による解析では、電子およびフォノンのボルツマン輸送方程式を統合的に取り扱うシミュレータを構築し、ホットスポット形成が電流駆動力に与える影響を探った。フォノン輸送に関わるパラメータの一部の決定には、上記分子動力学シミュレーションの結果を活用した。発熱効果のon/offによるドレイン電流の変化を調べたところ、ホットスポット形成の影響は比較的小さい(1%程度)ことが分かった。ドレインに入射した電子の冷却効率が悪化することが電流低下の原因だが、もともと高いドレイン電子温度(>2,000K)に対し,100K程度のフォノン温度上昇はインパクトが小さいものと考えられる。本研究を通じてシリコンナノデバイス中での準弾道電子と準弾道フォノンの輸送を統一的に取り扱うシミュレータ技術が確立した。