DASP 2022B版本发布 四大模块功能上新

DASP (Defect and Dopant ab-initio Simulation Package)是一款半导体缺陷和杂质的第一性原理计算模拟软件。该软件包能针对输入的半导体晶体结构，基于材料基因组数据库和第一性原理软件包，自动计算并输出半导体的热力学稳定性，缺陷和杂质形成能及离化能级，半导体样品中缺陷、杂质和载流子浓度及费米能级，关键缺陷和杂质诱导的光致发光谱、载流子辐射跃迁过程。

此前DASP版本的载流子动力学(CDC)模块已实现缺陷诱导的光致发光谱形状和缺陷对载流子的辐射俘获系数的计算。本次更新增加了缺陷对载流子的非辐射俘获系数的计算功能。该功能通过计算半导体的带边态和缺陷态之间的电声耦合，给出缺陷对载流子的非辐射俘获系数（截面）。计算结果可以与深能级瞬态谱（DLTS）测量的俘获截面对比，也可作为半导体器件TCAD仿真中缺陷的载流子俘获截面的输入参数。

DASP 2022B版本的CDC模块介绍

 基于计算的非辐射俘获系数（截面），该模块还可以根据Shockley-Read-Hall公式计算半导体中非平衡载流子由缺陷诱导的非辐射复合寿命。同时，CDC模块在计算缺陷诱导的光致发光谱时，还可以计算缺陷通过辐射过程俘获电子和空穴载流子的俘获系数，基于此，可以进一步计算缺陷通过辐射过程对非平衡载流子寿命的影响。综合多种载流子复合机制，可以分析载流子寿命的主要影响机制，并与实验测量的寿命比较。

该功能的计算可以采用普通的局域密度近似或广义梯度近似泛函、或者杂化泛函进行。

目前DASP的功能简介

本次更新后，DASP四个模块的功能已经完备，具体简介如下：

  热力学稳定性计算模块TSC

通过Pymatgen访问Materials Project数据库，快速判断目标化合物的稳定性，确定化合物半导体的关键竞争相，并自动计算各元素化学势的取值范围。

  缺陷能量计算模块DEC

构建近似立方的超原胞，基于对称性产生各类缺陷和杂质的构型，调用第一性原理软件开展结构优化、电子结构和能量计算。根据第一性原理计算结果和TSC模块的结果自动计算缺陷的形成能和离化能级，并自动计算各项误差修正。

  缺陷浓度计算模块DDC

读入TSC和DEC模块计算结果，预测不同化学势和温度条件下制备的半导体样品中各类缺陷和杂质的浓度、费米能级位置和载流子浓度，给出其随元素化学、制备温度和工作温度的变化。

  载流子动力学计算模块CDC

根据DDC模块计算结果，确定关键的缺陷和杂质，及其对应的载流子激发态动力学过程，开展光学性质和电声耦合性质计算，据此进一步计算光致发光谱、载流子的辐射和非辐射俘获截面、速率等参数，结合缺陷和杂质浓度信息计算非平衡载流子寿命。

图1：DASP各模块功能介绍

载流子非辐射俘获系数计算的实例

 该计算使用静态耦合公式，并结合一维位形图（configuration coordinate diagram）的方法，模拟载流子从带边态到缺陷态之间的非辐射跃迁过程。具体计算的物理量包括：电声耦合矩阵元、振动波函数重叠积分、缺陷对电子和空穴的非辐射俘获系数（截面）。图2和图3中计算结果是对128个原子的GaN超胞中CN的替位杂质进行非辐射俘获系数的计算得到的。

 根据DEC模块的计算，该杂质的(−/0)转变能级位于VBM以上1.07 eV，由于距离CBM较远，电子从CBM到缺陷态的跃迁过程应该是辐射的；由于距离VBM较近，空穴从VBM到缺陷态的过程应该是非辐射的。因此，本实例中，使用CDC模块计算该缺陷对空穴载流子的非辐射俘获系数（类似地，我们可以使用CDC模块对其他缺陷和杂质对电子或空穴载流子的非辐射俘获系数的计算）。当计算开始后，CDC模块将读取DEC模块的计算输出（缺陷结构、带电状态、本征值、转变能级等）进行一维位形图（图2）和电声耦合的计算，最终在考虑索末菲因子的贡献后，可输出俘获系数随温度的变化，见图3。

图2：采用CDC模块计算的GaN中CN杂质态俘获空穴载流子的振动势能面曲线

图3：采用CDC模块计算的GaN中CN杂质态对空穴载流子的俘获系数随温度的变化

 以上的计算采用简谐近似的方法，即默认（图2）势能面曲线为抛物线类型。在某些体系中，缺陷的振动势能面曲线不满足简谐近似，无法用抛物线拟合。对这种非简谐的情况，该模块也可以准确考虑，通过更改输入文件中的拟合方法，采用样条曲线的方法拟合非简谐的势能面曲线，进而描述非简谐效应对非辐射复合系数的影响。详细参数设置方法可参见手册中的应用案例。