デカナノ電界効果トランジスタの分子動力学的手法による電気伝導シミュレーション

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バルクSi、およびSi-MOSFET反転層中の電子輸送をアンサンブルモンテカルロ(EMC)法と分子動力学(MD)法を結合させたシミュレーション方法(EMC/MD法)を用いて解析し、その計算精度を確認した。本手法では、個々のキヤリア運動を追跡することで半導体中の電気伝導を模擬するが、フォノン散乱はEMC法を用いて確率論的に、一方クーロン散乱、すなわちキャリアと点電荷(他の自由キャリアまたは陰イオン)の相互作用は、MD法により決定論的に取り扱う。今回はまず、本手法の妥当性を確かめるためのテストケースとして、アクセプタイオンをドープしたバルクSi中の電子輸送を解析し、静的遮蔽効果が正しく働いているか否かの検証を行った。系内のポテンシャル分布の時間平均値を空間的にフーリエ変換して誘電関数の波数依存性を調べたところ、解析的に導出されるDebye-Huckelの式と同等の結果が得られ、本手法の妥当性が確認された。次に応用例として、nチャネルMOSFETの反転層電子輸送シミュレーションを行った。ゲート電圧を変化させ、表面電荷密度と移動度の関係を調べたところ、キャリア濃度低下と共に移動度が減少する、いわゆるロールオフ現象が再現され、イオン化不純物の遮蔽効果が正しく働いていることが示された。特に解析的手法では難しい複雑なデバイス構造中の電子輸送解析に対して、EMC/MD法が威力を発揮するものと期待される。