基于单层MoS2异质结的超薄、超快响应二极管建模和联合仿真方法研究

Recently, atomically thin monolayer MoS2 heterostructures (-1nm) without depletion region have been demonstrated. They have ultrafast charge transfer rate, which is in the order of picosecond or even tens of femtoseconds and can be used to realize new ultrafast diodes which are urgently needed by next-generation IC technology. However, because of lack of depletion region, carrier dynamics of monolayer MoS2 heterostructures are very different from conventional diodes. There are few research work on modeling and simulation of monolayer MoS2 heterostructure diodes. In this project, research on multi-physics modeling methods of monolayer MoS2 heterostructures will be firstly performed; carrier transport mechanisms of MoS2 diodes biased with high magnitude transient pulse will be studied by solving quantum mechanics equation, carrier transport equations, Maxwell equations and heat conduction equation by co-simulation methods based on first principle, non-equilibrium Green’s function and finite element method; compact circuit model will be established to predict the impacts on carrier transport from device geometry and other physical parameters; strategies for device optimization, which will theoretically support its design for next generation ultrafast ICs, will be raised to boost its performance by effectively tuning controllable parameters.

最新实验表明，基于单层MoS2的异质结厚度约1纳米,不存在耗尽层,具有皮秒甚至亚飞秒级的载流子转移速率，可实现超快响应、耐击穿二极管。然而，由于单层MoS2异质结二极管没有耗尽层,载流子输运机制不同于传统的二极管,其精细建模理论和仿真研究几乎空白。本项目拟提出超快响应单层MoS2二极管多物理建模新方法；发展基于第一性原理、非平衡格林函数和时域有限元方法协同方法，联立求解量子力学方程、半导体载流子输运方程、麦克斯韦方程和热传导方程等多物理过程的控制方程，揭示单层MoS2异质结二极管在瞬态大电流作用下的载流子输运规律和超快响应物理机制；建立单层MoS2异质结二极管等效电路模型，精确预测多种单层MoS2异质结构的几何和物理参数对载流子输运过程的影响；并且提出单层MoS2异质结二极管性能参数的优化设计方法，实现对其性能参数的有效调控，为它们在新一代超快微纳开关集成电路器件中的新应用提供理论指导。

项目针对新型单层MoS2异质结二极管，构建了器件结构中的电磁、量子输运、漂移扩散输运和热传导多物理耦合模型，开发了不同物理过程高效求解算法，实现了多物理耦合过程并行求解，揭示了器件中的多物理过程作用规律，提出了器件优化设计方法，圆满地完成了纳米尺度二极管器件中的多物理效应分析及应用基础研究。.建立了单层二维材料MoS2载流子输运模型、载流子复合模型以及界面电容模型，揭示了载流子复合、异质界面等效应对二维材料中载流子输运规律的影响。.基于（时域）有限元方法或有限差分方法，开发了不同物理过程核心算法，分别求解了电磁波动方程、量子输运方程（结合非平衡格林函数方法）、漂移扩散输运方程和热传导方程，提出了求解漂移扩散输运方程的改进算法，提高了算法精准度。.发展了多物理耦合过程求解算法，实现了单层MoS2异质结二极管中的电磁-热多物理过程全耦合求解，开发了基于区域分解方法的并行算法，并在数百处理器核计算平台上验证了并行性能。.在多物理耦合算法的基础上，揭示了单层MoS2异质结二极管中电磁-热耦合过程作用机制，研究了不同物理参数对器件性能的影响，提出了二极管性能优化设计方法。.项目研究成果已发表SCI论文13篇（IEEE期刊论文11篇）、发表国际学术会议论文6篇、发表EI期刊论文1篇，已接受待发表SCI期刊论文3篇；受邀在Springer出版英文专著章节1章，CRC出版社待出版著作章节1章；授权软件著作权2项；获国际会议(2016 IEEE MTT-S IMWS-AMP)最佳论文奖1项。