モンテカルロフルバンドデバイスシミュレータ

1

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

福田浩一産業技術総合研究所機能材料コンピュテーショナルデザイン研究センター

ナノエレクトロニクス研究部門

産総研： 福田浩一

シミュレータの開発者

シミュレータ概要

2

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

本シミュレータは古典的なボルツマン輸送方程式を、モンテカルロ法により解き、電界に対するドリフト速度などのキャリアの輸送パラメータを求めます。

求めたパラメータは古典的な流体近似のドリフト拡散デバイスシミュレータなどに反映することができます。

均一電界下の計算を行う一様場シミュレータと、デバイス構造内の振舞いを求めるデバイスシミュレータからなります。

バンド計算結果などの数値的に与えられたバンド構造に対応しています。

主な機能

3

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

一様場電界に対するキャリア輸送を解くことにより、ドリフト速度などキャリアの輸送パラメータを抽出

電界印加直後からのドリフト速度やキャリアの平均エネルギーの時間応答、いわゆる速度オーバーシュート現象の解析

半導体デバイス構造を想定し、その中のキャリア輸送の解析 デバイスの場合重み付き粒子法(weighted Monte Carlo)を採用

高濃度 低濃度

一般的なモンテカルロ法

粒子が代表するキャリア数が同じ低濃度部の情報が不足

高濃度 低濃度

重み付きモンテカルロ法

粒子が代表するキャリア数を変化低濃度部も十分な情報

想定用途

4

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

材料のバンド計算結果からドリフト速度や平均エネルギーなどの輸送パラメータの解析

速度オーバーシュートなどの非定常輸送現象の解析

デバイス構造を想定した不均一場のキャリア輸送状態、キャリアエネルギー分布の解析

シミュレータの基礎理論等の背景

5

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

古典論 量子論

ドリフト拡散(DD)エネルギー輸送(HD)モンテカルロ法(MC)

QDDQHDNEGFWMC

デバイスシミュレーションの種類

モンテカルロ法の特徴

ミクロな物理をベースにしている バンド構造 散乱モデル(フォノン、イオン化不純物) ミクロな物理から移動度などのマクロ量が求まる

ボルツマン輸送方程式を正確に解く キャリアのエネルギー分布がわかる 速度オーバーシュートなど非定常な輸送が解ける 電界が急峻に変化している場所

シミュレータの基礎理論等の背景

6

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

一様電界・デバイスモジュール共通 デバイスモジュールのみ

音響フォノン光学フォノン(バレー内)光学フォノン(バレー間)イオン化不純物散乱

界面ラフネス散乱

キャリアの散乱モデル

応用例

7

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

Si electron 10kV/cm

速度オーバーシュート特性、一様場モジュールでの経時解析

応用例

8

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

速度オーバーシュートのバンド構造(有効質量)依存

有効質量は加速度と散乱状態密度に影響MC法で定量的評価が可能

応用例

9

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

MOSFET構造の例

デバイス構造 メッシュ

応用例

10

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

重み付き粒子の動き

応用例

11

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

ゲート・ドレイン境界近傍

応用例

12

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

TFT構造の例

source drain

gate

VGS=VDS=5 V

厚さ方向を拡大して表示

動作環境

13

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

CentOS6, 7などのLinux環境

OpenMP、OpenMPI環境

ライセンス・配布方式

14

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

・バイナリコードを配布（有償予定、産総研と利用許諾契約を結んでいただきます）。

・詳細は問い合わせ窓口にご連絡下さい。

まとめ

15

超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト（超超PJ） シミュレータ公開説明会産総研臨海副都心センター 2019年4月12日

1. ボルツマン輸送方程式を解くモンテカルロ法のデバイスシミュレータを開発

2. 一様電界モジュール キャリア速度、エネルギー 速度オーバーシュート特性 DD/HDシミュレータに必要な移動度・エネルギー緩和時間などを計算

3. デバイスモジュール 重み付きモンテカルロで濃度差のある場合を高精度化 電界の急峻な変化の影響(非定常輸送現象) 界面散乱