Nanodcal半导体器件：计算n型掺杂NiSi2-Si器件的输运特性

Nanodcal是一款基于非平衡态格林函数-密度泛函理论（NEGF - DFT）的第一性原理计算软件，主要用于模拟器件材料中的非线性、非平衡的量子输运过程，是目前国内拥有自主知识产权的基于第一性原理的输运软件。可预测材料的电流 - 电压特性、电子透射几率等众多输运性质。

迄今为止，Nanodcal 已成功应用于1维、2维、3维材料物性、分子电子器件、自旋电子器件、光电流器件、半导体电子器件设计等重要研究课题中，并将逐步推广到更广阔的电子输运性质研究的领域。

本期将给大家介绍Nanodcal半导体器件2.7.3的内容。

2.7.3. 计算n型掺杂NiSi2-Si器件的输运特性

Nanodcal软件通过虚晶近似（Virtual Crystal Approximation，VCA）的方法实现半导体的n型或者p型掺杂。为了确保Si在中心区域的长度大于耗尽层的宽度，选用一个较长的n型掺杂NiSi2-Si器件进行输运特性计算。

2.7.3.1. 生成Si原子的VCA基组文件

（1）双击图标“DeviceStudio快捷方式”打开软件；

（2）选择Create a new Project→OK→文件名：Si，保存类型：ProjectFiles(*.hpf)→

保存即可；

（3）从数据库中导入Si晶体，如下：

File→Import→3DmaterialsConductorPure_metalSi打开即可：

图 2-52：导入晶体Si界面操作图

（4）选择Simulator→Nanodcal→Virtual Crystal Approximation，进入VCA设置界面，如下：选择Mixture vacancy

图 2-53：VCA设置界面图

价电子的占有率设为1.00005。点击Generate Files生成VCA.input文件。右击VCA.input文件，选择Run，即可实现Nanodcal在Device Studio中的一体化计算。

（5）计算完成后，右击VCA.input，选择Open Containing Folder，打开所在文件夹，产生了新的基组文件：Si_VCA_Si1.00005.mat

2.7.3.2. 自洽计算

（1）基组文件：Si_PBE-DZP.nad、Ni_PBE-DZP.nad和Si_VCA_Si1.00005.mat。左电极自洽计算的输入文件及方法与1.2.1小节相同

（2）右电极进行了掺杂，scf.input中Si原子的轨道类型变为VCA_Si1.00005，如下：

（3）同样，在中心区的自洽输入文件scf.input中，被掺杂Si原子相应的轨道类型也变为VCA_Si1.00005，如下：

（4）自洽计算结束后，采用1.2.3和1.2.6小节的方法，计算n型掺杂的NiSi2-Si器件的势分布和投影态密度（PDOS），如下：

图 2-54：n型掺杂NiSi2-Si势分布可视化图

图 2-55：n型掺杂NiSi2-SiPDOS可视化图

2.7.3.3. 非平衡态下的输运特性

（1）偏压Vbias被定义为VL-VR。对器件施加0.3 V偏压，中心区的输入文件scf.input改变

（2）在自洽完成的基础上，进行电流计算

准备输入文件ivcurve.input

右击Project窗口中的ivcurve.input文件，选择Run→Run，计算电流；计算结束后，会产生以下输出文件：CalculatedResults.mat、log.txt、CurrentVoltageCurves.mat、CurrentVoltageCurves.xml。最后，查看数据，在Matlab界面，使用如下命令来查看数据：

（3）对n型掺杂的NiSi2-Si器件施加一系列偏压，得到I-V曲线如下：

图 2-56：NiSi2-Si的IV曲线图

2.7.3.4. 耗尽层WD与掺杂浓度的关系

为了使模拟达到合理的目标，我们需要确保硅在中心区域的长度大于耗尽层的宽度。这里我们对器件进行1019、1020和1022cm-3浓度的n型掺杂，计算它们的势分布。其中VCA基组生成，自洽计算和势分布计算的方法与上述1.3.1和1.3.2相同。

WD与掺杂浓度N的关系如下：

图 2-60：WD与掺杂浓度N关系图

编辑：黄飞