计算和分析具有HfO2介电区绝缘硅（SOI）器件的电学特性

 

Nanodcal是一款基于非平衡态格林函数-密度泛函理论（NEGF - DFT）的第一性原理计算软件，主要用于模拟器件材料中的非线性、非平衡的量子输运过程，是目前国内拥有自主知识产权的基于第一性原理的输运软件。可预测材料的电流 - 电压特性、电子透射几率等众多输运性质。

迄今为止，Nanodcal 已成功应用于1维、2维、3维材料物性、分子电子器件、自旋电子器件、光电流器件、半导体电子器件设计等重要研究课题中，并将逐步推广到更广阔的电子输运性质研究的领域。

本期将给大家介绍Nanodcal半导体器件2.9-2.9.2的内容。

2.9. n-p-n硅器件的电学特性

场效应管（FET）是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，即栅源电压VG控制漏极电流ID。FET具有丰富的电学特性， 比如开关比（Ion/Ioff）、亚阈值斜率（SS）、跨导（gm）和漏极诱导势垒降低（DIBL）。二氧化铪(HfO2)是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料， 是目前用来取代SiO2的最有前途材料之一，近来在工业界特别是微电子领域被引起极度的关注。本教程计算和分析了具有HfO2介电区绝缘硅（SOI）器件的电学特性。

2.9.1. 搭建2D的n-p-n硅器件模型

（1）双击图标 DeviceStudio 快捷方式打开软件；

（2）选择 Create a new Project → OK →文件名： Si-H ，保存类型： ProjectFiles(*.hpf) → 保存 即可；

（3）导入 Si 的晶胞： File → Import → Import Local ，选取 material → 3Dmaterials → Semiconductor`→ ``Si.hzw` ；

（4）重新定义晶胞： Build → Redefine Crystal → face-centered → Preview → Build ；

图 2-63

（5）点击 Build → Redefine Crystal ，在b方向扩胞 2倍 ，c方向扩胞 18倍 ， Preview → Build ；

图 2-64

（6）选图中多余的原子，点击 Delete 删除，再点击 hydrogon passivation 氢钝化边缘 Si 原子，如图：

图 2-65

图 2-66

（7）点击 Convert to Device ，修改晶格常数， b=33 Å，将所有原子居中；

图 2-67

（8）点击 Convert to Device ， 点击Toolbar上的 Convert to Device 勾选左右电极，点击 Preview → Build ，得到器件模型，如图：

图 2-69

（9）增加缓冲层， Simulator → Nanodcal → Add Buffer → Build ；

图 2-70

2.9.2. 生成Si原子p型和n型掺杂的VCA基组文件

（1）双击图标 Device Studio 快捷方式打开软件；

（2）选择 Create a new Project → OK →文件名: Si ，保存类型： ProjectFiles(*.hpf) → 保存 即可；

（3）从数据库中导入 Si 晶体，如下: File → Import → 3DmaterialsConductorPure_metalSi 打开即可；

图 2-71

（4）以 p型 掺杂为例，选择 Simulator → Nanodcal → Virtual Crystal Approximation ，进入 VCA 设置界面。选择 Mixture vacancy ， Basis 设置为自定义 UserDefined ， 在Device Studio的安装路径下选择： neutralatomdatabasespecificSiLDASi_bulk_ fccSi_SZP.nad 打开，掺杂类型为 p-type ，价电子的占有率设为 0.99875 ，点击 Generate Files ，在 Project 窗口中生成 VCA.input 文件。

图 2-72

右击 VCA.input 文件，选择 Run ，即可实现Nanodcal在Device Studio中的一体化计算。

（5）计算结束后，右击 VCA.input ，选择 Open Containing Folder ，打开所在文件夹，产生新的基组文件： Si_VCA_Si0.99875Va0.00125.mat ，为了方便将其重命名为 Si_LDA-SZP-p.mat ；

（6）n型掺杂时，只需将掺杂类型改为n-type，价电子的占有率设为1.00125，其余步骤与p型掺杂相同，产生的基组文件命名为 Si_LDA-SZP-n.mat ；

（7）生成自洽计算的输入文件，点击 Simulator → Nanodcal → SCF Calculation ，注意在 Basis set 选项卡，勾选 doping ，如下图：

图 2-73

选取 n型 掺杂的基组，并通过Search，选取掺杂的区域（黄色），点击 select → ok 完成设置，其中 Atom indices 为对应的原子序号。

器件中间p型掺杂的基组设置步骤相同，如下图：

图 2-74：

自洽参数设置完成后，点击 Generate files 就产生了自洽输入文件。

　　

      审核编辑：彭静