計(jì)算和分析具有HfO2介電區(qū)絕緣硅（SOI）器件的電學(xué)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2.9-2.9.2的內(nèi)容。

2.9. n-p-n硅器件的電學(xué)特性

場效應(yīng)管（FET）是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，即柵源電壓VG控制漏極電流ID。FET具有豐富的電學(xué)特性， 比如開關(guān)比（Ion/Ioff）、亞閾值斜率（SS）、跨導(dǎo)（gm）和漏極誘導(dǎo)勢壘降低（DIBL）。二氧化鉿(HfO2)是一種具有寬帶隙和高介電常數(shù)的陶瓷材料， 是目前用來取代SiO2的最有前途材料之一，近來在工業(yè)界特別是微電子領(lǐng)域被引起極度的關(guān)注。本教程計(jì)算和分析了具有HfO2介電區(qū)絕緣硅（SOI）器件的電學(xué)特性。

2.9.1. 搭建2D的n-p-n硅器件模型

（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-H，保存類型：ProjectFiles(*.hpf)→保存即可；

（3）導(dǎo)入Si的晶胞：File→Import→Import Local，選取material→3Dmaterials→Semiconductor`→ ``Si.hzw`；

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

圖 2-63

（5）點(diǎn)擊Build→Redefine Crystal，在b方向擴(kuò)胞2倍，c方向擴(kuò)胞18倍，Preview→Build；

圖 2-64

（6）選圖中多余的原子，點(diǎn)擊Delete刪除，再點(diǎn)擊hydrogon passivation氫鈍化邊緣Si原子，如圖：

圖 2-65

圖 2-66

（7）點(diǎn)擊Convert to Device，修改晶格常數(shù)，b=33 ?，將所有原子居中；

圖 2-67

（8）點(diǎn)擊Convert to Device， 點(diǎn)擊Toolbar上的Convert to Device勾選左右電極，點(diǎn)擊Preview→Build，得到器件模型，如圖：

圖 2-69

（9）增加緩沖層，Simulator→Nanodcal→Add Buffer→Build；

圖 2-70

2.9.2. 生成Si原子p型和n型摻雜的VCA基組文件

（1）雙擊圖標(biāo)Device Studio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 2-71

（4）以p型摻雜為例，選擇Simulator→Nanodcal→Virtual Crystal Approximation，進(jìn)入VCA設(shè)置界面。選擇Mixture vacancy，Basis設(shè)置為自定義UserDefined， 在Device Studio的安裝路徑下選擇：neutralatomdatabasespecificSiLDASi_bulk_fccSi_SZP.nad打開，摻雜類型為p-type，價(jià)電子的占有率設(shè)為0.99875，點(diǎn)擊Generate Files，在Project窗口中生成VCA.input文件。

圖 2-72

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)算結(jié)束后，右擊VCA.input，選擇Open Containing Folder，打開所在文件夾，產(chǎn)生新的基組文件：Si_VCA_Si0.99875Va0.00125.mat，為了方便將其重命名為Si_LDA-SZP-p.mat；

（6）n型摻雜時(shí)，只需將摻雜類型改為n-type，價(jià)電子的占有率設(shè)為1.00125，其余步驟與p型摻雜相同，產(chǎn)生的基組文件命名為Si_LDA-SZP-n.mat；

（7）生成自洽計(jì)算的輸入文件，點(diǎn)擊Simulator→Nanodcal→SCF Calculation，注意在Basisset選項(xiàng)卡，勾選doping，如下圖：

圖 2-73

選取n型摻雜的基組，并通過Search，選取摻雜的區(qū)域（黃色），點(diǎn)擊select→ok完成設(shè)置，其中Atom indices為對(duì)應(yīng)的原子序號(hào)。

器件中間p型摻雜的基組設(shè)置步驟相同，如下圖：

圖 2-74：

自洽參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊Generate files就產(chǎn)生了自洽輸入文件。