概述
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原子级别的材料学计算模拟工具，这些工具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 提供的模型和工具
- 电子态
- 计算半导体材料的能带、态密度、电子密度、电势等
- 使用HSE06、MetaGGA、DFT-1/2、PPS等多种泛函得到半导体的精确带隙
- 详见：材料电子态性质研究工具
- 光学与光谱性质
- 计算带隙材料的介电函数（实部和虚部）谱，得到光吸收谱、折射率谱等
- 详见：材料光学和光谱性质的计算模拟
- 化合物半导体合金
- 使用有效能带模型或SQS模型研究合金半导体
- 载流子性质
- 分析载流子的有效质量张量
- 载流子迁移率。计算电子态、声子态以及完全的电声耦合矩阵，得到载流子的迁移率、霍尔系数、塞贝克系数等输运性质，以及输运性质受温度的影响
- 详见：材料载流子与导电性质计算模拟工具。
- 多层堆叠和能带排列
- 材料界面模型。直接创建半导体/氧化物/金属等材料界面模型或多层堆叠结构，采用更高效的方法对界面处进行有效的优化。
- 肖特基势垒。方便的进行金属-半导体接触界面建模，分析耗尽层的电势，直接得到肖特基势垒的形状；直接计算PLDOS得到能带弯曲情况，深入分析半导体-金属接触部分的电学特性。
- 能带排列。直接对界面等复杂体系进行局域投影态密度（PLDOS）的计算，可以十分方便的作出不同区域的能带情况，研究指定位置的态密度。
- Sentaurus Materials Worksbench
- 半导体材料模拟工具套件，可以用于多种复杂模型的计算模拟与仿真，例如：
- 点缺陷性质：形成能与扩散动力学
- 以第一原理计算为准对半经验能带模型（有效质量模型、k.p模型等）的参数进行校正
- 从第一原理结果中提取能带示意图
- 金属晶界电子散射和电阻率计算
- 详见：Sentaurus Materials Workbench简介。
- 半导体材料模拟工具套件，可以用于多种复杂模型的计算模拟与仿真，例如：
- 在原子水平上对电子器件进行仿真
- QuantumATK中成熟的双电极器件模型（Two-probe device model）和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器件的转移特性，并分析开关比、亚阈值斜率、DIBL等等。
- 详细介绍参见：
研究实例文章
- 第一原理方法计算电子-声子耦合和电子迁移率
- Tue Gunst, et al. First-principles method for electron-phonon coupling and electron mobility: Applications to two-dimensional materials.
- Phys. Rev. B 93, 035414 (2016).
- 应力对锗电子态结构的影响
- The effects of uniaxial and biaxial strain on the electronic structure of germanium
- Computational Materials Science 112, 263 (2016)
- III-V族半导体量子井的能带计算方法的系统研究与实验验证
- Comprehensive comparison and experimental validation of band-structure calculation methods in III–V semiconductor quantum wells（Solid-State Electronics 115 (2016) 92–102）
- 基于DFT+NEGF方法研究金属-半导体界面
- General atomistic approach for modeling metal-semiconductor interfaces using density functional theory and non-equilibrium Green’s function（Phys. Rev. B 93, 155302 (2016)）
- 用于先进工艺节点的新型互连金属
- QuantumATK能够使用严格的密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）方法计算金属的电子输运、电阻率和电迁移特性。从模拟中得到的结果让技术人员能够更有效地选择替代金属并集成到先进的逻辑和记忆电路工艺中。
- 详见：QuantumATK原子尺度模拟的优越性：筛选用于先进工艺节点的新型互连金属
- 更多发表的文章参见【文章列表】。
参考内容
- QuantumATK平台的“终极”参考文献正式发表
- QuantumATK功能列表
- 新兴低维电子材料研究
- 光伏材料的计算模拟与器件仿真
- 基础教程：NiSi2–Si界面。
- 基础教程：InGaAs随机合金的有效能带（Effective band structure）
- 基础教程：二维受限砷化铟
- 基础教程：研究FET器件特性
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