Gruppo Microonde e Optoelettronica - Dispositivi

Il gruppo di ricerca MOG-Dev si concentra sulla comprensione, progettazione e ottimizzazione dei dispositivi a semiconduttore per i moderni sistemi di comunicazione, optoelettronica, conversione dell’energia, applicazioni di potenza e quantistiche. La ricerca investe una vasta classe di dispositivi tra cui transistori, diodi e dispositivi nanoelettronici in tecnologie di avanguardia, focalizzandosi in particolare sui dispositivi a eterostruttura, quali i sistemi III-V e II-VI, e sui dispositivi in silicio RF, sia per applicazioni a microonde sia per l’optoelettronica. L’attività del gruppo è fortemente incentrata sulla modellazione e simulazione, che svolgono un ruolo cruciale nel prevedere il comportamento dei dispositivi stessi, nel contesto dello sviluppo di tecniche di co-ottimizzazione tra progettazione e tecnologia per accelerare l’innovazione.
La linea principale di ricerca riguarda lo sviluppo di modelli physics-based dei dispositivi. Questi modelli si fondano su equazioni fondamentali come l’equazione di Poisson per l’elettrostatica, l’equazione di trasporto di Boltzmann o le equazioni di deriva-diffusione per il trasporto semiclassico dei portatori e, per le nanostrutture, sull’equazione di Schrödinger o sulle funzioni di Green fuori equilibrio (NEGF) per il trasporto quantistico. Il gruppo perfeziona continuamente questi modelli per catturare non idealità quali la diffusione (scattering) dei portatori, l’effetto delle trappole, sia nel cristallo che di interfaccia, la variabilità e gli effetti termici. Tali effetti diventano sempre più rilevanti man mano che le dimensioni dei dispositivi si riducono alla scala nanometrica.
Oltre alla modellizzazione teorica, il gruppo sviluppa e utilizza una notevole varietà di strumenti di simulazione numerica. I software Technology Computer-Aided Design (TCAD) sono ampiamente impiegati per simulare i processi di fabbricazione e il funzionamento dei dispositivi. Il gruppo implementa codici di simulazione proprietari, specificamente orientati al trasporto quantistico e alle condizioni operative dinamiche non lineari, tipiche dei circuiti a microonde, insieme ai necessari algoritmi di analisi sia nel dominio del tempo che della frequenza.
Notevole importanza riveste l’ambito della simulazione multi-scala e multi-fisica. La ricerca investe tecniche di collegamento tra simulazioni atomistiche a livello di materiale (quali la density functional theory) e modelli di dispositivo a livello continuo, nonché l’accoppiamento del comportamento elettrico con modelli termici e con gli effetti di propagazione elettromagnetica.
Il gruppo sviluppa modelli compatti per la simulazione dei dispositivi a livello circuitale, in particolare per dispositivi avanzati o non convenzionali, garantendo il legame tra comprensione fisica del dispositivo e i modelli usati negli strumenti di automazione della progettazione elettronica (EDA). L’estrazione dei parametri e la validazione dei modelli viene portata avanti confrontando i risultati delle simulazioni con dati sperimentali, al fine di ottenere modelli predittivi e rilevanti dal punto di vista applicativo. Il gruppo svolge questa attività in stretta collaborazione con il laboratorio di caratterizzazione a microonde (MiMiLab) e con il Design Automation Laboratory (MEDALab).
Un’altra attività importante riguarda l’ottimizzazione e l’esplorazione progettuale di dispositivi a semiconduttore nuovi o emergenti. Sfruttando tecniche di modellistica avanzata, il gruppo può effettuare prototipazione virtuale, esplorando in modo efficiente ampi spazi di progetto. Tecniche come l’analisi di sensibilità, la modellazione assistita da machine learning e lo sviluppo di avanzati algoritmi di ottimizzazione sono sempre più integrate nel flusso di lavoro per individuare le geometrie e i materiali ottimali in dispositivi innovativi.