QuantumATK在半导体材料与器件模拟中的应用

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概述

band-alignment-in-diode微纳电子学是当今对我们的日常生活有着重要影响的技术,尤其是在通讯、计算、消费电子、健康、运输、环境和安全领域。为确保高性能、高能效电子器件的发展,工业界开始着眼于可能部分替代传统硅晶体管的III-V族化合物半导体材料。在硅基平台上集成III-V族器件很可能在2018年实现量产,而要实现这一目标离不开TCAD等模拟工具,TCAD在纳米电子领域的广泛应用节约了大量的开发成本和实现市场化的时间。

随着半导体器件特征尺度的小到纳米级别,对相关材料与器件进行基于量子力学的原子级别模拟显得越来越重要。这为传统的基于量子力学的材料模拟方法提出了很多的挑战,QuantumATK从建模工具、计算方法、分析工具等完整的模拟平台入手,致力于解决这些问题,为半导体材料与器件的模拟提供有效、可靠、快捷的工具,特别双极器件模型的引入可以直接研究诸如pn结等异质结构的各种性质。


半导体的准确带隙

semi-band-gap-mgga

半导体材料都具有较窄的带隙(~1eV),并且其特性强烈的依赖于准确的能带尤其是带隙的计算。QuantumATK中提供的理论方法(ATK-DFT/SE)有专门针对半导体材料的MetaGGA方法和半经验参数,可得到接近实验数值的能带数据。QuantumATK中还支持使用杂化泛函和GW方法的计算,为带隙计算提供可靠的参考。

右图显示了不同材料的能隙计算值与实验值比较。普通的DFT方法(LDA和GGA)带隙计算值明显偏低。MetaGGA方法可以得到比较好的结构,计算量却与普通GGA泛函相仿。


材料界面

AgSiO2Si-interface

在半导体材料的实际应用中,半导体-氧化物、半导体-金属等材料界面对很多性质起决定性的作用。QuantumATK中提供高级的界面建模工具和系统的优化界面的方法,可以快捷的得到更合理的界面模型。

右图为Ag-SiO2-Si界面以及用LDOS计算得到的能带示意图。


掺杂模型

QuantumATK中可以使用补偿电荷法对指定区域进行指定浓度的掺杂,更好的模拟半导体材料中的低浓度掺杂,可以更方便的研究不同复杂异质结。


对器件进行模拟atk_graphene_junction_voltagedrop

直接模拟器件无疑是半导体材料的模拟非常吸引人的方向。QuantumATK中成熟的双电极器件模型(Two-probe device model)非平衡态格林函数方法(Non-Equilibrium Green’s Fucntion, NEGF)是研究器件在偏压下的电子输运性质的有力工具。

在双电极器件模型的基础上,QuantumATK还可以使用高级的静电势模型,在器件区域增加具有指定介电常数的绝缘区域和具有特定电压的金属区域,用于模拟FET器件。


可研究的体系尺度

用ATK-SE研究受限的InAs器件结构(含5200个原子)。结构中还包含中央区域的20nm长的栅极,并进行了掺杂。

传统的原子级别的DFT计算通常只能模拟数百原子的体系,这离目前实验上能达到的器件加工能达到的最小尺度尚有一段距离。QuantumATK中的DFT方法具有更高的计算速度和效率,可以研究数千原子级别的体系;同时SE方法使用DFTB等参数化的哈密顿量方法,可以更快更好的计算万原子级别的体系,这使得模拟接近实验中的几十纳米尺度的体系成为可能。

目前文章中报道的使用 QuantumATK 研究的最大器件体系约有2400个原子(2015年);右图显示用 ATK-SemiEmpirical 研究受限的InAs器件结构(含5200个原子)。结构中还包含中央区域的 20nm 长的栅极,并进行了掺杂。


能带对齐(band alignment)band-alignment-p-n-junction

QuantumATK支持直接对界面等复杂体系进行局域投影态密度的计算,可以十分方便的作出不同区域的能带对齐情况,研究指定位置的态密度。由于在QuantumATK中可以使用器件模型直接对真正的界面结构进行计算,因此可以避免普通块体材料计算的Slab模型带来的种种问题。


 肖特基势垒

Ag-Si界面的肖特基势垒随掺杂浓度的变化情况。

肖特基势垒是半导体材料界面的重要问题,很多时候直接决定了器件的性能。QuantumATK中可以方便的进行电势分析,并进行一维的投影作图,直接得到肖特基势垒的形状。结合能带弯曲情况研究,可以深入分析半导体-金属接触部分的电学特性。

右图显示了Ag-Si界面的肖特基势垒随掺杂浓度的变化情况。


发表的文章实例


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animation

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