QuantumATK在电子材料与器件中的应用

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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。 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。 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。 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。此外,QuantumATK 包含了直接使用密度泛函、HSE06 杂化泛函(混合泛函)直接计算数千原子级别的体系的结构和能量,这为进行原子掺杂提供了有力的计算保障。 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)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。 Sentaurus Materials Worksbench Sentaurus Materials Workbench(SMW)是基于 QuantumATK 提供的一套用于半导体材料模拟的工具套件,可帮助您创建材料参考模型,并使用 DFT 计算或经验势或两者来为原子水平计算设置输入文件。 SMW 可以自动生成缺陷,并包括多种技术和方案以提高计算的准确性。此外,根据原子水平计算结果,SMW 会分析结果并生成 Sentaurus 模型参数,这些参数可用于多种 半导体器件级模拟工具。 详见:Sentaurus Materials Workbench简介。 发表的文章实例 第一原理方法计算电子-声子耦合和电子迁移率:在二维材料中的应用 Tue Gunst, et […]