纳米电子器件性能的工具

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概述

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。

atk_graphene_junction_voltagedrop

可以直接研究的器件特性

采用QuantumATK中提供的智能化、自动化的工具可以很方便的研究:

  • 电流-电压曲线(IVCharacteristics研究工具)
    • 扫描源漏偏压和栅压,计算源漏电流
    • 得到伏安特性(Ids-Vds)曲线、转移特性(Ids-Vgs)曲线
    • 将多条电流曲线进行综合作图
    • 从电流-电压特性分析器件性能
      • 开关比(on/off ratio)
      • 亚阈值斜率(subthreshold slope)
      • 转移电导(transconductance)
      • 漏极诱导势垒降低(DIBL)
      • 源漏饱和电压
  • 温度效应
    •  计算中考虑温度对电流特性的影响
    • 考虑电声耦合计算非弹性电流
    • 非弹性隧道电流谱(IETS)分析
  • 光电流模块
    • 计算器件中光生电流和开路电压
    • 还给出 AM1.5 太阳光谱照射的总电流
  • 器件结构优化工具
    • 自动完成复杂器件体系的结构优化
  • 电子透射机理分析
    • 透射系数(k分辨、能量分辨)
    • Monkhorst-Pack 或 edge-to-edge zone filling 方法 k 布点,或只采样部分布里渊区来获得详细信息
    • 谱电流
    • 透射谱、本征值、本征透射通道
    • 器件态密度,可投影在原子或角动量上
    • 电压降
    • 分子投影哈密顿量(MPSH)本征值
    • 电流密度和透射路径
    • 使用 LDOS 或器件态密度得到原子尺度的能带排列图
  • 自旋电子学
    • 计算自旋极化电流
    • 计算磁阻
    • 共线和非共线自旋的自旋转移转矩(Spin Transfer Torque,STT)
    • 详见:QuantumATK在磁性材料与自旋电子学研究中的应用
  • 支持对任意区域进行任意浓度的掺杂

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。

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。

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。

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


发表的文章实例


相关的实例教程

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pn结的光电流

  • 直接计算硅pn结中的光电流
  • 可以高效考虑电声耦合的影响
  • 研究晶格温度对光电流的影响
  • 结果与实验一致
  • 直接给出AM1.5太阳光谱的效果
  • 教程链接

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