Nanodcal半導(dǎo)體器件：計(jì)算n型摻雜NiSi2-Si器件的輸運(yùn)特性

Nanodcal是一款基于非平衡態(tài)格林函數(shù)-密度泛函理論（NEGF - DFT）的第一性原理計(jì)算軟件，主要用于模擬器件材料中的非線性、非平衡的量子輸運(yùn)過程，是目前國內(nèi)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于第一性原理的輸運(yùn)軟件。可預(yù)測(cè)材料的電流 - 電壓特性、電子透射幾率等眾多輸運(yùn)性質(zhì)。

迄今為止，Nanodcal 已成功應(yīng)用于1維、2維、3維材料物性、分子電子器件、自旋電子器件、光電流器件、半導(dǎo)體電子器件設(shè)計(jì)等重要研究課題中，并將逐步推廣到更廣闊的電子輸運(yùn)性質(zhì)研究的領(lǐng)域。

本期將給大家介紹Nanodcal半導(dǎo)體器件2.7.3的內(nèi)容。

2.7.3. 計(jì)算n型摻雜NiSi2-Si器件的輸運(yùn)特性

Nanodcal軟件通過虛晶近似（Virtual Crystal Approximation，VCA）的方法實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的n型或者p型摻雜。為了確保Si在中心區(qū)域的長度大于耗盡層的寬度，選用一個(gè)較長的n型摻雜NiSi2-Si器件進(jìn)行輸運(yùn)特性計(jì)算。

2.7.3.1. 生成Si原子的VCA基組文件

（1）雙擊圖標(biāo)“DeviceStudio快捷方式”打開軟件；

（2）選擇Create a new Project→OK→文件名：Si，保存類型：ProjectFiles(*.hpf)→

保存即可；

（3）從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入Si晶體，如下：

File→Import→3DmaterialsConductorPure_metalSi打開即可：

圖 2-52：導(dǎo)入晶體Si界面操作圖

（4）選擇Simulator→Nanodcal→Virtual Crystal Approximation，進(jìn)入VCA設(shè)置界面，如下：選擇Mixture vacancy

圖 2-53：VCA設(shè)置界面圖

價(jià)電子的占有率設(shè)為1.00005。點(diǎn)擊Generate Files生成VCA.input文件。右擊VCA.input文件，選擇Run，即可實(shí)現(xiàn)Nanodcal在Device Studio中的一體化計(jì)算。

（5）計(jì)算完成后，右擊VCA.input，選擇Open Containing Folder，打開所在文件夾，產(chǎn)生了新的基組文件：Si_VCA_Si1.00005.mat

2.7.3.2. 自洽計(jì)算

（1）基組文件：Si_PBE-DZP.nad、Ni_PBE-DZP.nad和Si_VCA_Si1.00005.mat。左電極自洽計(jì)算的輸入文件及方法與1.2.1小節(jié)相同

（2）右電極進(jìn)行了摻雜，scf.input中Si原子的軌道類型變?yōu)閂CA_Si1.00005，如下：

（3）同樣，在中心區(qū)的自洽輸入文件scf.input中，被摻雜Si原子相應(yīng)的軌道類型也變?yōu)閂CA_Si1.00005，如下：

（4）自洽計(jì)算結(jié)束后，采用1.2.3和1.2.6小節(jié)的方法，計(jì)算n型摻雜的NiSi2-Si器件的勢(shì)分布和投影態(tài)密度（PDOS），如下：

圖 2-54：n型摻雜NiSi2-Si勢(shì)分布可視化圖

圖 2-55：n型摻雜NiSi2-SiPDOS可視化圖

2.7.3.3. 非平衡態(tài)下的輸運(yùn)特性

（1）偏壓Vbias被定義為VL-VR。對(duì)器件施加0.3 V偏壓，中心區(qū)的輸入文件scf.input改變

（2）在自洽完成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電流計(jì)算

準(zhǔn)備輸入文件ivcurve.input

右擊Project窗口中的ivcurve.input文件，選擇Run→Run，計(jì)算電流；計(jì)算結(jié)束后，會(huì)產(chǎn)生以下輸出文件：CalculatedResults.mat、log.txt、CurrentVoltageCurves.mat、CurrentVoltageCurves.xml。最后，查看數(shù)據(jù)，在Matlab界面，使用如下命令來查看數(shù)據(jù)：

（3）對(duì)n型摻雜的NiSi2-Si器件施加一系列偏壓，得到I-V曲線如下：

圖 2-56：NiSi2-Si的IV曲線圖

2.7.3.4. 耗盡層WD與摻雜濃度的關(guān)系

為了使模擬達(dá)到合理的目標(biāo)，我們需要確保硅在中心區(qū)域的長度大于耗盡層的寬度。這里我們對(duì)器件進(jìn)行1019、1020和1022cm-3濃度的n型摻雜，計(jì)算它們的勢(shì)分布。其中VCA基組生成，自洽計(jì)算和勢(shì)分布計(jì)算的方法與上述1.3.1和1.3.2相同。

WD與摻雜濃度N的關(guān)系如下：

圖 2-60：WD與摻雜濃度N關(guān)系圖

編輯：黃飛