Entwicklung von Halbleitersimulations-Codes

Die Erfindung des Transistors vor einigen Jahrzehnten hat eine neue Ära in der Elektronikindustrie eingeleitet und die Funktionsweise der gesamten modernen Elektronik bestimmt. In den vergangenen zwei Jahrzehnten bemühte man sich vor allem um die Herstellung von miniaturisierten Transistoren, wie dem Einzelelektronentransistor (SET single electron transistor) unter Verwendung von einkristallinen Siliziummaterialen.

Der in modernen Mikrochips am häufigsten eingesetzte Transistor, nämlich der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffektransistor (MOSFET), ist einfach zu bedienen. Er funktioniert wie ein Schalter und geht an, wenn dem Halbleiter Elektronen zugefügt werden und aus, sobald diese wieder entfernt werden. Die funktionellen Eigenschaften des Transistors hängen direkt von der Dichte der leitenden Elektronen und deren Mobilität ab.

Die Nachfrage nach noch kleineren Transistoren zur Erfüllung der derzeitigen Bedürfnisse in der Mikro- und Nanoelektronik hat zur Entwicklung von Einzelelektronentransistoren (SET) geführt. Das Arbeitsprinzip von SETs basiert auf der Einengung der Elektronen auf eine ausreichend kleine Größe in Metallen oder Halbleitern. Dies ermöglicht das Ein- und Ausschalten des Transistors immer dann, wenn ein Elektron hinzugefügt wird. Die Realisierung erfolgt durch einen Einzelelektronendurchtunnelungsprozess, bei dem nur dann ein Elektronentransport stattfindet, wenn bestimmte Energiebedingungen erfüllt sind. Selbst dann folgt das Auftreten eines solchen Ereignisses statistischen Regeln. Im Gegensatz zu Feldeffekttransistoren, deren Betrieb auf klassischen physikalischen Konzepten beruht, basieren die Einzelelektronengeräte auf Quantenphänomenen, die für deren Verhalten sehr bedeutsam sind. Diese Geräte machen von der quantisierten Eigenschaft der Ladung Gebrauch, die nicht ständig, sondern quantisiert fließt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Transistoren erfordern die quantenmechanischen Eigenschaften beim Betrieb von SETs Ansätze zur Berechnung ihrer Eigenschaften, z.B. der Leitfähigkeit oder der Ladungsdichte. So werden moderne Verfahren auf Basis der Dichte-Funktionstheorie und Quantenstatistik zur Modellbildung des Verhaltens und der Parameter von nanaskaligen SETs verwendet.

Im Rahmen des EU-Projekts NANOTCAD wurde ein quantenmechanischer 3D-Simulator für Halbleitergeräte entwickelt. Der Simulator für Nanogeräte (SIMNAD) kann verwendet werden, um die quantenmechanische Ladungsdichte und die Durchtunnelungswahrscheinlichkeiten in Halbleiter-Nanostrukturen von verschiedenen Materialgeometrien zu berechnen. Der SIMNAD arbeitet ergänzend zum kommerziellen Simulatorgerät DESSIS-ISE. Er ermöglicht den Datenaustausch und Simulationen im Doppelmodus. Das Verbindungsschema der beiden Simulatoren stellt ein einzigartiges Simulationspaket bereit, welches die simultane Modellbildung einer 3D-quantenmechanischen Ladungsverteilung in einer Teilregion eines größeren Gerätes, welches voll in Betrieb ist, ermöglicht.