QuantumATK在电子材料与器件中的应用

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概述

band-alignment-in-diode微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、新兴二维电子材料等体系。而要高效寻找新型电子材料离不开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结等复杂异质结构的各种性质。


QuantumATK提供的半导体、电子材料模拟工具

载流子性质

  • 载流子的有效质量、费米面形状
  • 载流子迁移率

点缺陷性质模拟工具

  • (带电)点缺陷的形成能
  • 点缺陷的扩散动力学(AKMC方法)

能带对齐(band alignment)

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。

band-alignment-p-n-junction

肖特基势垒

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。下图显示了Ag-Si界面的肖特基势垒随掺杂浓度的变化情况。

Ag-Si界面的肖特基势垒随掺杂浓度的变化情况。

材料界面

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。图为Ag-SiO2-Si界面以及用LDOS计算得到的能带示意图。

AgSiO2Si-interface

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。

可研究的体系尺度

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。

 

对电子器件进行原子水平的模拟

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。

 


发表的文章实例


相关的实例教程

计算碳化硅的电子态
animation

点击图片看动图

  • 使用 QuantumATK 进行能带、态密度、电子密度、电势等的研究十分便利
  • NanoLab 提供的分析工具可以直接作图分析能带、态密度等,提供高质量的图像绘制和导出
  • NanoLab 提供高级分析工具支持电子密度等三维数据的截面图、等高线图以及复合作图
  • NanoLab 提供旋转GIF动图导出(点击右图看动图)

 


迁移率news_mobility_mos2
  • QuantumATK可以使用由 DFT 方法计算电子布洛赫态和能量、声子模式和能量以及电子-声子耦合等信息使用玻尔兹曼输运方程计算电子迁移率。
  • QuantumATK可以计算声子态、分析畸变势、电声耦合(右图),并在此基础上计算温度对迁移率的影响
  • 使用大规模 MPI 并行可以大大减少计算时间
  • 参考文献:Tue Gunst, et al. First-principles method for electron-phonon coupling and electron mobility: Applications to two-dimensional materials. Physical Review B, 93(3):035414, 2016.

 


硅材料中的载流子有效质量labfloor_effectivemass1
  • QuantumATK 可以在计算能带的基础上分析电子、空穴的载流子有效质量
  • 计算高对称方向和任意k空间方向的有效质量
  • 使用多种泛函、自旋-轨道耦合等高级理论方法获得更精确的有效质量
  • 布里渊区查看工具可以看到布里渊区的形状和高对称方向

 


半导体材料能带的自旋-轨道耦合劈裂soc-gga-band
  • QuantumATK 支持含自旋轨道耦合(SOC)的自旋极化计算
  • SOC可以给出准确的半导体材料的 Gamma 点的 SOC 能级劈裂
  • SOC计算可以与密度泛函理论(DFT)或半经验量子力学方法(SE)一起使用

 


硅p-n结DDOS_0bias
  • 使用补偿电荷的方法对半导体材料的不同区域进行p型或n型掺杂
  • 使用DFT或SE理论方法进行伏安特性计算
  • 使用Projected Local DOS方法计算pn结的能带情况(右图)
  • 计算非零偏压下的电子态和输运性质

 


硅的光学性质si_refractive_index
  • 使用Kubo-Greenwood公式计算带隙材料的介电函数(实部和虚部)谱
  • 计算电子的光吸收、折射率谱
  • 使用TB09等MetaGGA泛函得到精确的带隙

 


应力对硅材料电子态的影响BS_zoom_optimized_uniaxial_strained
  • 计算单轴、双轴应力对半导体材料的电子态的影响
  • 直接将晶格优化为目标应力结构
  • 分析应力对能带中高对称点的能级去简并情况
  • 进一步分析应力对各点有效质量的影响

 


NiSi2–Si界面ldos_reverse_modified
  • 使用NanoLab中界面建模工具快速构建异质界面
  • 使用器件模型研究界面十分方便,大大优于用Slab模型
  • 研究界面的电荷分布、电势分布
  • 研究界面的能带状况(右图)
  • 研究界面在各种偏压下的伏安特性

 


Bi2Se3 拓扑绝缘体fermi_surface_topological
  • 使用SOC等高级方法计算体系的电子(自旋)态
  • 使用Slab模型计算并分析体系的表面态与自旋分布状况
  • 研究Dirac锥附近的费米面和自旋方向(右图)
  • 计算TI的拓扑不变量

 


InGaAs随机合金的有效能带(Effective band structure)EBS_InGaAs_linear_max_0.5
  • 使用VNL Builder建立任意比例的合金体系(共晶格随机替位)
  • 计算半导体随机合金体系的有效能带结构
  • 研究能带展宽的影响
  • 还可以使用虚晶近似(VCA)研究合金体系的性质(链接

 


Si(100)表面的复数能带结构complex_band_2D_plot
  • 复数能带结构是一种研究存在于表面等情况下的衰减电子态的方法
  • QuantumATK 可以直接计算复数能带结构
  • NanoLab 图形界面提供多种二维、三维的绘制并分析复数能带结构的工具

 


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