シリコンナノワイヤトランジスタの三次元量子輸送シミュレーション

摘要

極限構造MOS トランジスタとして、シリコンナノワイヤをチャネルとする1次元MOS トランジスタが注目されている。本稿では、シリコンナノワイヤトランジスタを高精度に設計するために開発した3次元量子輸送シミュレータとその妥当性について報告する。本シミュレータでは、ナノワイヤ中の1次元電子ガスの振舞いを2次元シュレディンガ一方程式を解くことで解析し、さらに、チャネル方向の量子輸送については、1次元ウィグナ一方程式および1次元非平衡グリーン関数方程式を解くことで取り入れた。また、チャネル方向の量子輸送特性、特にソース・ドレイントンネリングの影響を定量的に評価するために、古典シミュレーションとして1次元ボルツマン方程式を解くことにも取り組んだ。その結果、サブスレッショルド領域のソース・ドレイントンネリングの影響はゲート長が6nm 以下で顕著に現れ始めること、また微細化限界の評価では、古典シミュレーションを用いた場合、最小ゲート長の予測値を過小評価することが明らかとなった。%Si-nanowire transistors (SNWTs) are promising candidates as extremely downscaled MOSFETs for the future Si-VLSIs. To understand the device physics of SNWTs and assess their performance limits, we have recently developed a new self-consistent and three-dimensional quantum simulator based on a direct solution of the Wigner transport equation, coupled with multi-dimensional Schrodinger-Poisson algorithm. In this paper, we present its validity by comparing with semiclassical Boltzmann and non-equilibrium Green's function approaches. Further, we discuss on a scaling limit of SNWTs, and demonstrate that the influence of source-drain tunneling begins to appear notably as the gate length becomes shorter than 6nm and also that the semiclassical Boltzmann simulation without the source-drain tunneling underestimates a minimum gate length to make electrostatically "well-tempered" SNWTs.