【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纳米半导体电子器件多物理场建模仿真领域，涉及一种三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法。
技术介绍
1、全环绕栅极晶体管(gaa-fet)由于其高驱动电流，高集成密度以及强栅极控制能力，被用于3nm技术节点。然而，由于gaa-fet的通道四周被低热导率的栅氧化层所包裹，导致gaa-fet的自热效应(she)及其严重。这还可能会进一步引起热应力并影响器件性能。
2、目前，已经针对gaa-fet的电热效应进行了研究，如工艺可变性(m.g.pala etal.,“increase of self-heating effects in nanodevices induced by surfaceroughness:afull-quantum study”,journal of applied physics 2015),器件几何形状(w.kwon,cet al.,“electrothermal modeling of multi-nanosheet fets with variouslayouts”,ieee transactions on electron devices 2024)以及界面热阻(s.venkateswarlu etal.,“hetero-interfacial thermal resistance effects ondevice performance of stacked gate-all-around nanosheet fet”,ieeetransactions on
3、另一方面，已经研究了应力对fet的影响。针对finfet建立二维模型研究了she诱导的热应力对载流子输运的影响(huali duan et al.,“theoretical study of self-heating-induced thermal stress effects on quantum transport in p-typeultrathin body-finfet by multiphysics simulation”,ieee transactions onelectron devices2023)。通过应力工程引入器件的应力可以改变器件的阈值电压、能带结构和载流子迁移率，以提高器件性能(yoon et al.,"bandgap engineering and straineffects of core–shell tunneling field-effect transistors,"ieee transactionson electron devices,2017.)。
4、然而，目前几乎没有关于三维纳米尺度半导体器件中热力学效应的相关研究。因为gaa-fet结构是三维的，所以其内部的量子输运，热输运以及热应力的耦合过程相比于二维结构更加复杂，且计算量更大。除此之外，当今3nm节点的电路中，三维gaa-fet已经被广泛使用。因此，有必要开发高效的针对三维纳米半导体器件的多物理耦合的快速仿真方法，并研究三维纳米半导体器件中的多物理场耦合机理，以指导器件和电路设计。
5、本专利技术通过数值方法在耦合模空间内自洽求解三维量子输运方程、热传导方程和固体力学平衡方程以进行仿真，给出了一种三维纳米半导体器件量子输运，热以及热应力耦合效应的快速仿真方法，其中热源分布从考虑电子-声子微观相互作用的电流密度能谱计算得到。该方法对包括全环绕栅极场效应晶体管(gaa-fet)在内的绝大多数的三维纳米尺度半导体电子器件都适用。
技术实现思路
1、针对现有技术不足，本专利技术提供一种三维纳米半导体器件量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法。
2、本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法，主要包括：
4、将器件实空间中的热应力与哈密顿量转换到耦合模空间；
5、基于非平衡格林函数方法，在耦合模空间内，同时基于自洽玻恩近似方法考虑声子散射效应，利用自洽玻恩近似和声子形变势方法仿真载流子与声子的相互作用，自洽求解三维量子输运方程与泊松方程得到电流密度能谱；
6、从电流密度能谱计算热源分布；
7、基于热源分布，采用数值方法求解热传导方程和固体力学平衡方程得到实空间的温度分布和热应力分布；
8、再次将实空间的热应力分布转换到耦合模空间，并重复以上步骤，迭代求解直至收敛。
9、上述技术方案中，进一步的，所述转换到耦合模空间，包括：基于考虑电势与热应力的器件横截面哈密顿量的特征向量构造模空间旋转矩阵，将三维纳米器件的实空间横截面的哈密顿量、器件实空间不同横截面之间的耦合哈密顿量、器件内部实空间电势分布、器件的应变哈密顿量均先由实空间转换到k空间，再结合k空间到模空间的旋转矩阵，得到耦合模空间内考虑热应力的横截面特征方程。
10、进一步的，得到的耦合模空间内考虑热应力的横截面特征方程为：
11、
12、其中e为能量，ψ为载流子波函数，为器件横截面的k空间哈密顿量，为器件k空间不同横截面之间的耦合哈密顿量，为器件内部k空间电势分布，为器件k空间的应变哈密顿量，为器件横截面对应的k空间到模空间的旋转矩阵，为厄米算符。
13、进一步的，器件横截面对应的k空间到模空间的旋转矩阵具体为：
14、
15、其中，ψi为波函数，i∈1,2,…,nm，nm为所选模式数量，表示波函数的本征矢。
16、进一步的，所述非平衡格林函数方法具体包括：在耦合模空间内，利用自洽玻恩近似和声子形变势方法仿真载流子与声子的相互作用。
17、进一步的，所述从电流密度能谱计算热源分布，具体为：
18、
19、其中，为器件横截面的热源分布，e为能量，q为点电荷常量，为耦合模空间内从横截面流向横截面的电流密度能谱。
20、进一步的，收敛要求为两次迭代间的电流，空穴密度，电势，热应力以及温度变化均小于各自预设容差，预设容差通常可根据经验或具体需要进行设置。
21、与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
22、1.本专利技术提供了一种三维纳米半导体器件量子输运-热输运-热应力耦合效应仿真方法，有助于三维半导体器件的设计优化，并且为研究电路与系统中的多物理场耦合机理提供指导，可以分析热输运以及热应力对器件的影响，包括：根据器件通道材料的e-k色散关系分析热应力对载流子有效质量的影响；分析热应力对器件通道材料态密度的影响，进一步研究热应力对器件内部载流子分布的影响；分析热应力对电流密度能谱的影响，进一步分析热应力对器件导通电流的影响等等。
23、2.本专利技术提供了一种将热应力转换到耦合模空间的方法，从而实现在三维耦合模空间中同时快速求解量子输运方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法，其特征在于，步骤1)中所述转换到耦合模空间，包括：基于考虑电势与热应力的器件横截面哈密顿量的特征向量构造模空间旋转矩阵，将三维纳米器件的实空间横截面的哈密顿量、器件实空间不同横截面之间的耦合哈密顿量、器件内部实空间电势分布、器件的应变哈密顿量均先由实空间转换到k空间，再结合k空间到模空间的旋转矩阵，得到耦合模空间内考虑热应力的横截面特征方程。
3.根据权利要求2所述的三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法，其特征在于，耦合模空间下考虑热应力的横截面特征方程为：
4.根据权利要求2所述的三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法，其特征在于，器件横截面对应的k空间到模空间的旋转矩阵具体为：
5.根据权利要求1所述的三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法，其特征在于，步骤2)中所述非平衡格林函数方法具体包括：在耦合模空间内，
6.根据权利要求1所述的三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法，其特征在于，步骤2)中所述从电流密度能谱计算热源分布，具体为：
7.根据权利要求1所述的三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法，其特征在于，步骤4)中所述收敛的要求为两次迭代间的电流，空穴密度，电势，热应力以及温度变化均小于各自预设容差。
...【技术特征摘要】
1.一种三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法，其特征在于，步骤1)中所述转换到耦合模空间，包括：基于考虑电势与热应力的器件横截面哈密顿量的特征向量构造模空间旋转矩阵，将三维纳米器件的实空间横截面的哈密顿量、器件实空间不同横截面之间的耦合哈密顿量、器件内部实空间电势分布、器件的应变哈密顿量均先由实空间转换到k空间，再结合k空间到模空间的旋转矩阵，得到耦合模空间内考虑热应力的横截面特征方程。
3.根据权利要求2所述的三维纳米器件中量子输运-热输运-热应力耦合快速仿真方法，其特征在于，耦合模空间下考虑热应力的横截面特征方程为：
4.根据权利要求2...
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