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材料设计,器件模拟计算领域的引领者

陈时友团队倾情打造|鸿之微DASP软件正式发布(缺陷和杂质的第一性原理计算模拟软件)

hzwtech | 鸿之微科技 | 2022-02-25

 




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由陈时友团队打造的DASP软件

历时十四年开发、迭代

终于正式商用!


这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
它能与EDA软件系统中的核心底层TCAD
相伴同行 相得益彰


它能洞察影响器件可靠性的微观机制

为集成电路产业发展提供原子级模拟仿真工具


今天我们将带你走进DASP
全方位了解DASP的功能与价值










认识鸿之微软件家族新伙伴DASP


















     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。


      DASP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。


       DASP的计算结果可以直接作为半导体器件TCAD仿真的输入参数,为器件优化提供定量依据。同时,它也可以直接与缺陷和杂质的各种电学和光学表征实验结果进行对比,作为“解谱”工具。














一、背景和前景










 背景:

      有限温度下,半导体晶格中不可避免的会存在缺陷和杂质,对半导体的物性产生影响,因此,每一种半导体的研究都离不开缺陷和杂质的研究,缺陷和杂质物理的研究是半导体物理研究的重要组成部分,也是半导体器件设计、优化和可靠性研究的微观依据。


      自上世纪90年代缺陷超原胞计算模型提出以来,基于密度泛函理论的缺陷和杂质性质第一性原理计算模拟引起广泛关注,已经成为缺陷和杂质研究的基本手段之一。然而,缺陷和杂质性质的第一性原理计算过程较为繁杂,需要研究人员的反复操作,人力工作量较大。如果对于理论模型理解不够透彻、或者采用的交换关联泛函近似不能准确描述带隙和能级占据情况,简单套用计算公式容易在结果中产生很大的错误。因此,不同文献中对于同一种半导体的缺陷和杂质性质计算结果可能出现明显的矛盾。DASP软件开发的动机就是为了提高半导体缺陷和杂质第一性原理计算模拟研究的效率,节省人力资源,同时避免计算过程的错误,提高计算精度。

      前景:

      近年来,半导体电子器件和光电器件的原子级TCAD仿真受到广泛关注,缺陷和杂质性质是原子级仿真需要考虑的重要方面,因此,任何一个半导体器件的TCAD仿真,都有必要先开展缺陷和杂质性质的计算。未来,DASP软件将成为半导体器件原子级TCAD仿真软件的重要组成部分,从而构建第一性原理软件-DASP软件-器件仿真软件相结合的多尺度模拟仿真平台,实现从材料到器件贯通的TCAD仿真设计。

















二、亮点与特色











 DASP将半导体缺陷和杂质性质的第一性原理计算预测完全自动化,其可以:
 1、为半导体器件TCAD仿真提供各种缺陷和杂质的模型和基本参数;
 2、将安装了DASP软件的计算服务器变为一台缺陷和杂质性质的表征设备;
 3、是深能级瞬态谱、光致发光谱、正电子湮没谱等的“解谱”工具软件;
 4、开展新型多元、低对称性半导体的稳定性、缺陷和杂质的高通量计算。










三、模块及功能










DASP软件包括4个模块:

1、热力学稳定性计算模块TSC;

2、缺陷(杂质)能量计算模块DEC;
3、缺陷(杂质)浓度计算模块DDC;
4、载流子动力学计算模块CDC。



DASP四大模块的功能:


1、热力学稳定性计算模块TSC(Thermodynamic Stability Calculation):读入半导体晶体结构,开展第一性原理结构和能量计算,并访问Materials Project等材料基因组数据库获取化合物半导体的竞争相信息,根据计算和数据库下载的结果,确定化合物半导体的关键竞争相,计算其热力学分解能、能使其纯相稳定的元素化学势范围,可以作为热力学稳定性判断和进一步缺陷和杂质性质计算的输入。


2、缺陷(杂质)能量计算模块DEC(Defect Energy Calculation):读入半导体晶体结构,构建近似立方的超原胞,基于对称性全面考虑各种缺陷和杂质构型,产生包含缺陷和杂质的超原胞,调用第一性原理软件开展结构优化、电子结构和能量计算;根据结果预测缺陷和杂质可能的离化带电状态,并进一步开展带电缺陷和杂质的计算。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。


3、缺陷(杂质)浓度计算模块DDC(Defect Density Calculation):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。DDC计算结果可以用于确定半导体的关键缺陷和杂质,并与实验测量的浓度结果对比,为缺陷和杂质、载流子浓度调控提供定量依据。


4、载流子动力学计算模块CDC(Carrier Dynamics Calculation):读入DDC模块计算结果,确定关键的缺陷和杂质,基于费米能级信息确定关键的载流子激发态动力学过程,开展声子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少子寿命。


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四、关键价值











对于缺陷和杂质计算模拟研究领域的专家,DASP软件可以:

1、为其节省反复提交任务、读取数据和进行运算的操作时间,对于低对称性的复杂半导体体系节省的时间非常可观。
2、其中的TSC模块可以快速、精确预测复杂多元化合物半导体的稳定性。通过访问材料基因组数据库中的大量数据,不但可以避免杂相考虑不充分等问题带来的误差,而且可以节省大量计算时间。
3、其中的DDC模块可以用来计算半导体样品在平衡态下各种缺陷和杂质的浓度、载流子的浓度和费米能级位置。以前很多缺陷和杂质的研究论文仅给出形成能和离化能级结果,然而,实验工作者难以直接将其与实验上浓度等测量结果进行对比,限制了理论计算论文的可参考性。DDC模块可以读入形成能和离化能级结果,输出不同化学势条件、生长温度和工作温度下半导体样品中的缺陷和载流子浓度信息,从而方便实验研究进行对比。最近,DASP软件的开发者发现在新型低对称性半导体中存在显著的“缺陷关联”效应,能诱导违反直觉的缺陷浓度变化(Small 2021, 17, 2102429),这一效应的发现得益于DDC模块浓度的计算,如果仅分析形成能结果难以发现。
4、 缺陷和杂质诱导光致发光谱和辐射复合速率计算,可以采用CDC模块快速计算,目前一般的第一性原理软件不直接包含相关功能。
 
对于不熟悉缺陷和杂质计算模拟研究的研究人员,DASP软件可以:

1、 在基本掌握第一性原理计算软件使用方法的前提下,高效、准确的开展各类缺陷和杂质性质计算,为器件TCAD仿真提供参数,揭示缺陷和杂质影响器件性能的微观机制,为器件优化提供依据。
2、给出能与实验结果进行对比的缺陷和杂质浓度、能级、光致发光谱和俘获截面等信息,用于实验结果的“解谱”。
3、开展新型半导体材料的高通量筛选,设计掺杂和缺陷调控方案。
 










五、DASP发展历程











2008

开始新型四元光伏半导体Cu2ZnSnS4的热力学稳定性和缺陷性质第一性原理计算,开发多元体系元素化学势稳定范围计算程序。

2012

开发多元半导体缺陷浓度、载流子浓度和费米能级的计算程序。

2014

开始缺陷形成能和离化能级自动化计算的Fortran程序编写。

2015

开始缺陷的载流子俘获截面自动化计算Fortran程序编写。

2016

开始缺陷形成能和离化能级、缺陷和载流子浓度自动化计算的Python程序编写、开始基于材料基因组数据库的热力学稳定性和元素化学势范围计算的Python程序编写。

2019

合并所有模块,形成SDASC(Semiconductor Defect ab-initio Simulation Code)软件,完成软件简要说明书及文档。开始光致发光谱和载流子俘获截面自动化计算Python程序编写。

2021

根据推广应用需求,重新编写所有模块,统一输入文件,正式将软件命名为DASP(Defect and Dopant ab-initio Simulation Package),完成软件的介绍论文。(https://arxiv.org/abs/2201.02079)。

2022

与鸿之微公司合作,正式进入商业化模式并发布。



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六、参考文献











1)Menglin Huang, Zhengneng Zheng, Zhenxing Dai, Xinjing Guo, Shanshan Wang, Lilai Jiang, Jinchen Wei, Shiyou Chen, DASP: Defect and Dopant ab-initio Simulation Package, Journal of Semiconductors, 4, 042101 (2022); doi: 10.1088/1674-4926/43/4/042101; https://arxiv.org/abs/2201.02079.
2)Menglin Huang, Zenghua Cai, Shanshan Wang, Xin-Gao Gong, Su-Huai Wei, Shiyou Chen, More Se Vacancies in Sb2Se3 under Se-Rich Conditions: An Abnormal Behavior Induced by Defect-Correlation in Compensated Compound Semiconductors, Small, 17, 2102429 (2021).

3)Menglin Huang, Shan-Shan Wang, Yu-Ning Wu, Shiyou Chen; Defect physics of ternary semiconductor ZnGeP2 with a high density of anion-cation antisites: A first-principles study, Physical Review Applied, 15, 024035 (2021).

4)Jinchen Wei, Lilai Jiang, Menglin Huang, Yuning Wu, Shiyou Chen, Intrinsic Defect Limit to the Growth of Orthorhombic HfO2 and (Hf,Zr)O2 with Strong Ferroelectricity: First-Principles Insights, Advanced Functional Materials, 31, 2104913 (2021).




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