H掺杂Ga2O3的缺陷计算（缺陷形成能和转变能级计算DEC）

DASP (Defect and Dopant ab-initio Simulation Package)是一款半导体缺陷和杂质性质的第一性原理计算模拟软件包，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、载流子辐射和非辐射俘获截面及少子寿命。

针对任一半导体，DASP软件可以计算给出如下性质：热力学稳定性、元素化学势空间的稳定范围、缺陷（含杂质，下同）形成能、缺陷转变能级、各生长条件下的费米能级、载流子和缺陷浓度、缺陷的光致发光谱、缺陷对载流子的俘获截面、辐射和非辐射复合速率等。

本期将给大家介绍DASP HfO2的本征缺陷计算 5.3.3-5.3.3.2 的内容。

5.3.3. 缺陷形成能和转变能级计算DEC

5.3.3.1. 运行DEC模块

在上一步使用命令 dasp 2 执行TSC模块时，会生成doping-Ga2O3/tsc目录，并在该目录中产生 2tsc.out 文件。等待程序执行完毕， 2tsc.out 有相应的完成标志。打开doping-Ga2O3/dasp.in，确认化学势已被程序自动输入。

确认TSC模块完成后，回到doping-Ga2O3目录，使用命令 dasp 3 执行DEC模块。DEC模块会在第一步已经生成的dec目录中继续输出相关文件，包括缺陷结构，缺陷目录，以及运行日志文件 3dec.out 。等待程序完成期间无需额外操作。

5.3.3.2. DEC模块运行流程

产生缺陷结构：

根据 dasp.in 中的参数doping = T和impurity = H，DEC模块将产生Ga2O3的掺杂H的缺陷，即生成doping-Ga2O3/dec/Doping_H计算目录，在其下面分别有替位缺陷H_Ga，H_O，间隙位缺陷H_i的缺陷结构和目录。根据对称性判断，Ga2O3晶格中存在两种不等价的Ga原子，但存在三种不等价的O原子，因此H_Ga缺陷构型有两种，H_O缺陷构型有三种，H_i的缺陷构型数量由用户输入参数决定。

将部分缺陷的晶体结构拖入晶体可视化软件，如下图所示。

DASP产生的掺杂H的Ga2O3的部分缺陷结构。

同时，可在 3dec.out 看到DEC模块的输出如下：

可以看到，DEC模块目前只产生了所有缺陷电中性（q=0）的计算目录。

提交各缺陷q=0计算任务：

待中性缺陷的结构及其目录产生完毕后，DEC模块将调用VASP对其进行PBE优化和HSE总能的计算（对应于 dasp.in 中level = 2的参数），此步骤等待时间较长。可随时检查 3dec.out 文件。 3dec.out 中的相关信息如下所示：

产生带电缺陷的计算目录：

等待所有（除能量较高的间隙缺陷）电中性的计算完成之后，程序将根据中性缺陷的计算结果，判断各缺陷的价态范围，从而生成各带电缺陷的目录及文件，对于计算错误（undo，failed，not converged）或者不进行后续计算（skip）的缺陷，会进行提示。 3dec.out 中的相关信息如下所示：

提交各缺陷q≠0的计算任务：

待带电缺陷的结构及其目录产生完毕后，DEC模块将调用VASP对其进行PBE优化和HSE总能的计算（对应于 dasp.in 中level = 2的参数），此步骤的等待时间比3.2.2的更长。 3dec.out 中的相关信息如下所示：

计算带电缺陷的修正：

所有的带电缺陷（除能量较高的间隙缺陷）的计算完成后，DEC模块将计算FNV修正（根据 dasp.in 中correction = FNV的参数），并计算其缺陷形成能和转变能级。由于之前计算错误（undo，failed，not converged）或者不进行后续计算（skip）的缺陷的报错信息，每个缺陷各价态的修正量和形成能的具体数值，都记录在 3dec.out 中：

所有的形成能和转变能级的数据，也都记录在各缺陷目录下的 defect.log 文件中。

输出形成能图像：

最后，DEC模块利用所有修正过后的Ga2O3在两个化学势处的缺陷形成能，自动输出缺陷形成能 v.s. 费米能级的图像。如下图所示：

掺杂H的Ga2O3在p1处（Ga-rich）的缺陷形成能随费米能级的变化

掺杂H的Ga2O3在p2处（O-rich）的缺陷形成能随费米能级的变化

同时也会输出各缺陷转变能级的图像。如下图所示：

掺杂H的Ga2O3各缺陷的转变能级

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审核编辑 ：李倩