Modeling of Nanoelectronic Semiconductor Devices

The multitude of todays electronic appliances, such as mobile phones, notebooks, and digital cameras, has been enabled by a continuous progress in the fabrication of microchips. In the course of this development the dimensions of the single components – mainly MOSFET transistors – have been steadily reduced and thus the number of components that can be integrated in a Microchip steadily increased. Scaling of the MOSFET is expected to continue down to gate lengths below 20 nm. 
In this project a simulation program for nanoelectronic semiconductor devices has been developed. The program solves the Wigner equation, which represents one of the available formulations of quantum transport, by means of a novel Monte Carlo method. The device to be simulated may consist of silicon, germanium or various group III/V compound semiconductors.  Different numerical methods have been developed to improve robustness and efficiency of the simulations, including a spectral decomposition of the potential profile into a classical and a quantum-mechanical part, and an algorithm for the control of the particle number, which conserves current exactly. Applicability of the simulator has been demonstrated for various devices: a gallium arsenide-based resonant tunneling diode, a silicon n-i-n diode, and double-gate field-effect transistors.  The comprehensive model of the simulator allows the interplay of classical and quantum-mechanical effects to be studied in a way not feasible with established simulation tools. These effects are space charge effects and scattering processes on the one side, and tunneling and size-quantization on the other side.
Because of its importance for future MOSFET architectures, transport of electrons in ultrathin silicon layers has been studied in more detail. It was found the inter-subband scattering of electrons play an important role to explain certain electron mobility measurements in single and double gate structures.
Furthermore, the effect of mechanical strain on the electron mobility in the silicon layer has been investigated. The presence of shear strain changes the effective mass of the lowest subband ladder and thus can improve the mobility. Engineering of strain effects is an important measure to improve performance of future integrated circuits.

Die Vielzahl der heutigen elektronischen Anwendungen, wie etwa Mobiltelefone, Notebooks oder digitale Kameras, wurde durch die kontinuierlichen Fortschritte in der Herstellung von Mikrochips ermöglicht. Im Zuge dieser Entwicklung werden die Abmessungen der Einzelbauelemente –  hauptsächlich MOSFET Transistoren – laufend verkleinert und dadurch die Anzahl der in einem Mikrochip integrierbaren Bauelemente laufend vergrößert. Die Skalierung des MOSFET wird voraussichtlich bis zu Gate-Längen unter 20 nm voranschreiten.
Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Simulationsprogramm für nano-elektronische Halbleiter-Bauelemente entwickelt. Das Programm löst die Wigner-Gleichung, welche eine der möglichen Quantentransport-Formulierungen darstellt, mittels einer neuartigen Monte Carlo Methode. Die zu simulierenden Bauelemente können aus Silizium, Germanium  oder einer Vielzahl von III/V Verbindungs-Halbleitern bestehen. Es wurden verschiedene numerische Methoden entwickelt, um die Robustheit und Effizienz der Simulationen zu steigern. Dazu zählt die spektrale Zerlegung der Potentialverteilung in einen klassischen und einen quantenmechanischen Anteil, sowie ein neuer Algorithmus zur Kontrolle der Teilchenzahl, welcher die Stromdichte exakt erhält. Die Anwendbarkeit des Simulators wurde für verschiedene Bauelemente demonstriert: Galliumarsenid-basierte resonante Tunneldioden, Silizium n-i-n Dioden und Doppel-Gate Feldeffekt-Transistoren. Durch das komplexe Modell des Simulators kann das Zusammenspiel von klassischen und quanten-mechanischen Effekten in einer Form untersucht werden, wie dies mit herkömmlichen Simulatoren nicht möglich ist. Zu diesen Effekten zählen Raumladungseffekte und Streuprozesse einerseits und Tunneleffekte und Quantisierung andererseits.
Der Transport von Elektronen in ultra-dünnen Silizium-Schichten wurde auf Grund seiner großen Bedeutung für zukünftige MOSFET Architekturen genauer untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die Zwischen-Subband-Streuung der Elektronen wesentlich ist, um bestimmte experimentelle Befunde über die Elektronen-Beweglichkeit in Einfach- und Doppel-Gate-Strukturen erklären zu können.
Des Weiteren wurde der Einfluss von mechanischer Verspannung in der Silizium-Schicht auf die Elektronen-Beweglichkeit untersucht. Es wurde gezeigt, dass das Vorhandensein von Scherspannung zu einer Änderung der Transportmasse in der untersten Subband-Leiter und damit zu einer Erhöhung der Beweglichkeit führt. Gezielt eingesetzte Verspannungs-Effekte sind wesentlich für die Leistungssteigerung von zukünftigen integrierten Schaltungen.