Simulation des Ladungstransportes in ultra-skalierten Bauelementen mit nativem Oxid

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Frauenheim
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 330000412

In Annäherung an die Skalierungsgrenzen in der Siliziumtechnologie wirkt sich die Grenzfläche zwischen dem aktiven Bauelementkanal und dem Oxid kritisch auf den Ladungstransport aus: sie bestimmt das Confinement der Wellenfunktion und dadurch die elektronischen und dielektrischen Eigenschaften des aktiven Kanals; weiterhin bewirkt sie elastische Streuung durch die Grenzflächenrauhigkeit sowie die dielectrische Unordnung und trägt so zur Abschirmung der Cou-lombstreuung bei. Dennoch bleibt die quantitative korrekte Berücksichtigung des nativen Oxides in der Bauelementemodellierung nach wie vor eine Herausforderung. Das empirische Tight-Binding Verfahren, eine beliebte Methode der Wahl für extrem skalierte atomistiche Simulationen von Bauelementen kann allerdings nur unzureichend die chemische Unordnung an der Grenzfläche und die Dimensionseffekte der dielektrischen Eigenschaften im Kanal erfassen. Andererseits sind ab initio Methoden rechnerisch zu aufwendig und daher für Anwendungen in vollständig in-tegrierten Bauelemente-Modellierungen bisher sehr eingeschränkt. In allen theoretischen Zugäng-en wird allerdings der Ladungstransport im Rahmen der Nichtgleichgewicht Greens Funktionen Methode (NEGF) beschrieben.Das Ziel dieses Projektes ist, die quantenmechanische atomistische Modellierung von extreme skalierten Silizium-basierten Feldeffekt-Transistoren so zu verbessern, dass eine quantitativ genaue Vorhersage von Strom-Spannungs (I-V) Charakteristiken durch die explizite Berücksichtigung des Gate-Oxides und der Elektron-Phonon Wechselwirkung möglich wird. Die Zielstellung ist einerseits technologisch und andererseits methodisch bedingt: Technologisch, da die Berücksichtigung der Oxid-Grenzfläche und die Aufklärung der Rolle unterschiedlicher Streu-mechanismen von entscheidender Bedeutung im Design und der technischen Auslegung solcher Systeme sind. Methodisch, da wir zur Erreichung dieses Zieles die NEGF-Simulationen in Verbindung mit der Dichtefunktional-basierten Tight-Binding Methode (DFTB) weiterentwickeln müssen. Dadurch werden wir einige der Einschränkungen in der Anwendung von empirischen Tight-Binding Verfahren überwinden und gleichzeitg angemessene Rechenzeitvorteile sichern. Tatsächlich konnten wir kürzlich zeigen, dass die NEGF-DFTB Methode rechnerisch praktikabel und für eine genaue Beschreibung der Silizium-Oxid Grenzfläche einsetzbar ist. Die methodischen Verbesserungen sind so allgemein, dass sie in Kombination mit ab initio basierten Verfahren für verschiedene Materialklassen und Technologien angewandt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen