論文の概要: Electron-Electron Interactions in Device Simulation via Non-equilibrium Green's Functions and the GW Approximation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.12986v1
• Date: Tue, 17 Dec 2024 15:05:33 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-18 13:57:18.278945
• Title: Electron-Electron Interactions in Device Simulation via Non-equilibrium Green's Functions and the GW Approximation
• Title（参考訳）: 非平衡グリーン関数とGW近似によるデバイスシミュレーションにおける電子-電子相互作用
• Authors: Leonard Deuschle, Jiang Cao, Alexandros Nikolaos Ziogas, Anders Winka, Alexander Maeder, Nicolas Vetsch, Mathieu Luisier,
• Abstract要約: 電子-電子(e-e)相互作用は、量子輸送シミュレーションに明示的に組み込まれなければならない。 この研究は、非平衡条件下でのナノデバイスの大規模原子論的量子輸送シミュレーションを報告した最初のものである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 71.63026504030766
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• Abstract: The continuous scaling of metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) has led to device geometries where charged carriers are increasingly confined to ever smaller channel cross sections. This development is associated with reduced screening of long-range Coulomb interactions. To accurately predict the behavior of such ultra-scaled devices, electron-electron (e-e) interactions must be explicitly incorporated in their quantum transport simulation. In this paper, we present an \textit{ab initio} atomistic simulation framework based on density functional theory, the non-equilibrium Green's function formalism, and the self-consistent GW approximation to perform this task. The implemented method is first validated with a carbon nanotube test structure before being applied to calculate the transfer characteristics of a silicon nanowire MOSFET in a gate-all-around configuration. As a consequence of e-e scattering, the energy and spatial distribution of the carrier and current densities both significantly change, while the on-current of the transistor decreases owing to the Coulomb repulsion between the electrons. Furthermore, we demonstrate how the resulting bandgap modulation of the nanowire channel as a function of the gate-to-source voltage could potentially improve the device performance. To the best of our knowledge, this study is the first one reporting large-scale atomistic quantum transport simulations of nano-devices under non-equilibrium conditions and in the presence of e-e interactions within the GW approximation.
• Abstract（参考訳）: 金属酸化物-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の連続的なスケーリングにより、荷電担体がより小さなチャネル断面に制限されるようになる。 この開発は、長距離クーロン相互作用のスクリーニングの削減に関連している。 このような超小型デバイスの挙動を正確に予測するには、電子-電子(e-e)相互作用を量子輸送シミュレーションに明示的に組み込まなければならない。 本稿では,密度汎関数論,非平衡グリーン関数形式論,およびそれを実現するための自己整合GW近似に基づく<textit{ab initio}原子論シミュレーションフレームワークを提案する。 実装方法はまずカーボンナノチューブ試験構造を用いて検証し, シリコンナノワイヤMOSFETのゲート・オール・アラウンド配向特性を計算した。 e-e散乱の結果、キャリアと電流密度のエネルギーと空間分布は著しく変化し、トランジスタのオン電流は電子間のクーロン反発によって減少する。 さらに、ゲート-ソース電圧の関数としてのナノワイヤチャネルのバンドギャップ変調により、デバイスの性能が向上する可能性を実証する。 我々の知る限り、この研究は非平衡条件下でのナノデバイスとGW近似におけるe-e相互作用の存在下での大規模原子論的量子輸送シミュレーションを報告した最初のものである。

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