Efficient Simulation of Gate Leakage Currents in Ultra-scaled Transistors from First Principles
本文提出了一种扩展的量子传输边界法（QTBM），通过克服开放边界条件和非结构化稀疏线性系统中的挑战，高效地计算超缩放 WS-hBN 场效应晶体管中的从头算栅极漏电流，从而在栅极长度超过 25 nm 的器件中表现优于现有最先进技术。
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在追求电子设备更小、更快的无止境过程中，工程师们面临着一个根本性的物理障碍：栅极。在现代晶体管中，栅极充当开关，控制电流通过沟道的流动。为了让开关更加灵敏和响应迅速，该栅极下方的绝缘层必须做得极其薄。然而，当这一层变得过薄时，电子就会开始隧穿。电子不再遵守开关的规则并留在其指定的路径内，而是通过量子力学效应隧穿过绝缘层，泄漏到栅极中。这种泄漏会浪费能量并产生热量，可能导致未来的超小型计算机效率低下甚至无法使用。为了设计更好的设备，科学家必须能够精确预测电流会泄漏多少，但对于用于下一代芯片的微小且复杂的材料进行此类计算，长期以来一直是计算领域的噩梦。
苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的一个研究小组现在开发出了一种解决这一问题的新方法，使他们能够模拟比以往任何时候都更大、更真实的晶体管中的栅极泄漏。他们的工作专注于一种由材料“三明治”结构构成的特定类型的未来晶体管：由二硫化钨组成的沟道、由六方氮化硼组成的绝缘层，以及由铂组成的金属栅极。在这些器件中，栅极直接位于沟道之上，创造了一个巨大的电子逃逸区域。计算机科学家的挑战在于，追踪这些逃逸电子所需的数学方程变得如此复杂且数量庞大，以至于当栅极长度超过几个纳米时，标准超级计算机会在完成计算之前耗尽时间和内存。
研究人员通过改变处理该问题数学逻辑的方式解决了这一瓶颈，将其分解为两个易于处理的部分。首先，他们意识到将整个栅极视为一个巨大的、坚固的整体是不必要且低效的。相反，他们将栅极划分为较小的、重复的单元。通过计算仅仅一个微小单元的行为，然后通过数学手段将这些结果缝合在一起，他们就可以对整个栅极进行建模，而无需同时为整个整体求解那些不可能完成的方程。这种方法类似于人们可以通过称量单个链环并进行乘法运算来估算长链的总重量，而不是去举起整条链。
其次，他们解决了电子与栅极相互作用时产生的杂乱、无结构数据的问题。求解这些方程的标准方法会产生一种“填充”效应，即计算机内存会被不必要的数据堵塞，从而减慢运行速度。该团队引入了一种技术，可以简化栅极影响力的描述，在保留核心物理特性的同时剔除冗余信息。这使他们能够使用更高效的算法来求解剩余的方程，将一个原本需要数小时或数天计算时间的问题缩短到了几分钟内即可完成。
这一新方法的成果是惊人的。研究人员在长度为 6.4 纳米的晶体管上测试了他们的方法，并将这种简化的计算结果与完整的、严谨的模拟进行了对比。结果几乎完全吻合，证明了他们的捷径并未牺牲准确性。受到这种验证的鼓舞，他们将模拟推向了 25.6 纳米的栅极长度，这一尺寸代表了现实世界的器件，但在以前由于过于庞大而无法进行如此高细节度的模拟。他们成功计算了电子如何从源极和漏极隧穿进入栅极，并识别出了最容易发生泄漏的特定能级。
这项工作表明，现在已经可以在超缩放晶体管中高精度地模拟栅极泄漏，即使栅极延伸到了沟道的显著部分。通过结合这两项数学创新，该团队消除了此前将此类研究局限于微小、人工结构的计算障碍。这种能力为工程师打开了大门，使他们能够在实验室制造之前，先在计算机上测试不同的材料组合和栅极设计，从而确保未来的晶体管在变得更小、更高效的同时，不会受到电流泄漏问题的困扰。
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