Ein allgemeines semiklassisches Simulationsprogramm für 2D-Material-Feldeffekttransistoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Jungemann
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464344623

2D-Halbleiter werden intensiv als Kanalmaterial für MISFETs aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften verglichen mit Silizium untersucht, die es nicht nur ermöglichen könnten, das Mooresche Gesetz fortzusetzen, sondern auch die Leistung von Transistoren für analoge Anwendungen (z. B. mm-Wellen-Verstärker, Sensoren) zu verbessern. Es gibt mehr als siebenhundert 2D-Materialien, die meistens mit rein theoretischen Mitteln untersucht werden. Um den Einfluss des 2D-Materials auf die Leistungsfähigkeit des Transistors für digitale und analoge Anwendungen abzuschätzen, soll ein allgemeines semiklassisches Simulationsprogramm entwickelt werden, das beruhend auf mit ab-initio-Methoden berechneten Bandstrukturen und Streuraten die stationären Kennlinien, Kleinsignalparameter und das transiente Verhalten realistischer Bauelemente simulieren kann, was mit Methoden des Quantentransports schwierig und sehr zeitaufwendig ist. Es sollen die Poissonsche Gleichung für einen 2D Ortsraum und die Boltzmannsche Gleichung mit einem 3D Phasenraum (2D K-Raum und 1D Ortsraum) für Elektronen und Löcher selbstkonsistent gelöst werden. Die erste Brillouin-Zone des 2D K-Raums soll mit einem nicht regulärem Dreiecksgitter diskretisiert werden, das alle Symmetrien der 2D-Kristallklassen reproduzieren kann. Die Boltzmannsche Gleichung soll mit einem neu entwickelten Verfahren diskretisiert werden, das für beliebige Bandstrukturen und Streuraten stabil ist. Elektronen und Löcher können konsistent simuliert werden, da sowohl Leitungs- als auch Valenzbänder berücksichtigt werden. Der Code soll sorgfältig modularisiert werden mit wohl definierten Schnittstellen, damit eine nahtlose Interaktion mit Programmen für die Berechnung der Bandstruktur und Streuraten möglich ist. Weiterhin soll es möglich sein, homogene Inversionskanäle (Langkanalnäherung) zu simulieren, um fundamentale Transportparameter (z.B. Beweglichkeit) für das Drift-Diffusionsmodell zu generieren. Die Vielseitigkeit des Programms soll durch Simulation der stationären Kennlinien, der Kleinsignalparameter und des transienten Verhaltens eines MoS2-MISFETs basierend auf numerisch berechneten Bandstrukturen und Streuraten demonstriert werden. Mit dem Simulator sollte es möglich sein, die Leistungsfähigkeit von 2D-Material-FETs mit höherer Genauigkeit vorherzusagen als mit einem Drift-Diffusionsmodell oder analytischen Formeln, und den Entwurf und die Interpretation von Experimenten zu unterstützen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen