計算和分析具有HfO2介電區(qū)絕緣硅（SOI）器件的電學特性

Nanodcal是一款基于非平衡態(tài)格林函數-密度泛函理論（NEGF - DFT）的第一性原理計算軟件，主要用于模擬器件材料中的非線性、非平衡的量子輸運過程，是目前國內擁有自主知識產權的基于第一性原理的輸運軟件?？深A測材料的電流 - 電壓特性、電子透射幾率等眾多輸運性質。

迄今為止，Nanodcal 已成功應用于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、半導體電子器件設計等重要研究課題中，并將逐步推廣到更廣闊的電子輸運性質研究的領域。

本期將給大家介紹Nanodcal半導體器件2.9-2.9.2的內容。

2.9. n-p-n硅器件的電學特性

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

2.9.1. 搭建2D的n-p-n硅器件模型

（1）雙擊圖標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）點擊Build→Redefine Crystal，在b方向擴胞2倍，c方向擴胞18倍，Preview→Build；

圖 2-64

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

圖 2-65

圖 2-66

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

圖 2-67

（8）點擊Convert to Device， 點擊Toolbar上的Convert to Device勾選左右電極，點擊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）從數據庫中導入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，進入VCA設置界面。選擇Mixture vacancy，Basis設置為自定義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，價電子的占有率設為0.99875，點擊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，即可實現Nanodcal在Device Studio中的一體化計算。

（5）計算結束后，右擊VCA.input，選擇Open Containing Folder，打開所在文件夾，產生新的基組文件：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，只需將摻雜類型改為n-type，價電子的占有率設為1.00125，其余步驟與p型摻雜相同，產生的基組文件命名為Si_LDA-SZP-n.mat；

（7）生成自洽計算的輸入文件，點擊Simulator→Nanodcal→SCF Calculation，注意在Basisset選項卡，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），點擊select→ok完成設置，其中Atom indices為對應的原子序號。

器件中間p型摻雜的基組設置步驟相同，如下圖：

圖 2-74：

自洽參數設置完成后，點擊Generate files就產生了自洽輸入文件。