半導(dǎo)體器件在光照和電偏壓等外界條件作用下會(huì)產(chǎn)生非平衡載流子。非平衡載流子的壽命對(duì)半導(dǎo)體器件性能有關(guān)鍵性影響,例如,光伏和發(fā)光器件的效率、電子器件的開關(guān)速度和功耗等都依賴于非平衡載流子壽命的長(zhǎng)短。因此,在半導(dǎo)體光電器件和電子器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中,載流子壽命是必須要考慮的因素;要開展半導(dǎo)體器件的TCAD仿真,載流子壽命相關(guān)參數(shù)也是必需的基本參數(shù)。長(zhǎng)期以來,這些基本參數(shù)主要通過超快光譜和電學(xué)譜等實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)來獲得。當(dāng)半導(dǎo)體中存在多種缺陷、雜質(zhì)或表界面時(shí),這些參數(shù)的表征測(cè)量變得更加困難,決定載流子壽命的關(guān)鍵復(fù)合機(jī)制往往難以確定,制約了載流子壽命的精準(zhǔn)調(diào)控和器件性能的優(yōu)化。
近十年來,基于含時(shí)密度泛函理論(TDDFT)的非絕熱分子動(dòng)力學(xué)(NAMD)方法快速發(fā)展,使得直接模擬半導(dǎo)體中非平衡載流子相關(guān)的激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)過程成為可能。國內(nèi)外眾多課題組采用TDDFT和NAMD相關(guān)的方法開展了各類半導(dǎo)體中非平衡載流子壽命的計(jì)算。然而,如果將這些計(jì)算得到的壽命與實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn),非常容易出現(xiàn)多個(gè)數(shù)量級(jí)的偏差。例如,對(duì)近年來被廣泛關(guān)注的有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦半導(dǎo)體CH3NH3PbI3,大量實(shí)驗(yàn)顯示其非平衡載流子壽命可以長(zhǎng)達(dá)微秒量級(jí),但是,直接NAMD方法計(jì)算的壽命往往僅為納秒量級(jí)。這一差別引起了疑問:當(dāng)前NAMD計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別的主要原因是什么?TDDFT和NAMD方法是否僅能計(jì)算載流子壽命的定性變化趨勢(shì),不能進(jìn)行精確的定量預(yù)測(cè)?
針對(duì)上述問題,復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院陳時(shí)友教授課題組與計(jì)算物質(zhì)科學(xué)研究所褚維斌教授、龔新高院士、北京計(jì)算科學(xué)研究中心魏蘇淮教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)趙瑾教授、華東師范大學(xué)吳宇寧教授、帝國理工學(xué)院Aron Walsh教授等合作,在綜合考慮了多種載流子復(fù)合機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系、并考慮器件的真實(shí)工作環(huán)境后,發(fā)展了一套系統(tǒng)的計(jì)算真實(shí)半導(dǎo)體中有效載流子壽命的方法和流程。基于這套系統(tǒng)方法的計(jì)算揭示了當(dāng)前NAMD方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差的根源,計(jì)算得到的CH3NH3PbI3、GaAs和CdTe等半導(dǎo)體的載流子壽命均可與實(shí)驗(yàn)定量相符。這一結(jié)果表明,在采用這套系統(tǒng)方法后,基于TDDFT和NAMD方法開展載流子壽命的精確計(jì)算預(yù)測(cè)是可能的。
該工作從非平衡載流子壽命的基本定義出發(fā),考慮了缺陷誘導(dǎo)Shockley–Read–Hall非輻射復(fù)合(一階過程)、帶邊之間的輻射和非輻射復(fù)合(二階過程)、Auger復(fù)合(三階過程)等多種載流子復(fù)合機(jī)制,并引入相應(yīng)的不同計(jì)算方法,發(fā)展了一套綜合使用NAMD方法和其他方法的非平衡載流子壽命的計(jì)算方法和流程框架?;谶@套方法,該工作指出,近年來基于TDDFT和NAMD模擬計(jì)算載流子壽命的研究?jī)H考慮了帶邊非輻射復(fù)合和缺陷誘導(dǎo)的非輻射復(fù)合機(jī)制,而忽略了重要的帶邊輻射復(fù)合機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)。另一方面,這些計(jì)算中使用的超原胞模型往往僅包含數(shù)百原子,使得模擬的非平衡載流子濃度和缺陷濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于真實(shí)半導(dǎo)體中的載流子濃度和缺陷濃度,這個(gè)濃度的差別可能高達(dá)5個(gè)數(shù)量級(jí)。由于不同載流子復(fù)合機(jī)制對(duì)載流子濃度和缺陷濃度有不同階的依賴,模擬超胞中過高的非平衡載流子濃度和缺陷濃度導(dǎo)致模擬的載流子復(fù)合機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系與實(shí)際條件下半導(dǎo)體中顯著不同。這兩方面的因素使得NAMD模擬直接給出的載流子壽命并非實(shí)際半導(dǎo)體中有效的載流子壽命,因而計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有巨大偏差。如果采用本文發(fā)展的系統(tǒng)計(jì)算方法、考慮所有復(fù)合機(jī)制,并根據(jù)實(shí)際條件確定合理的載流子濃度和缺陷濃度,那么,計(jì)算出的CH3NH3PbI3有效載流子壽命可以與實(shí)驗(yàn)定量相符。以往計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不一致的原因被澄清。進(jìn)一步在GaAs和CdTe等半導(dǎo)體體系的計(jì)算表明,綜合采用NAMD和其他方法,精確計(jì)算各類半導(dǎo)體的非平衡載流子壽命是可行的。這為定量計(jì)算各類半導(dǎo)體的載流子壽命、確定主導(dǎo)復(fù)合機(jī)制,進(jìn)而開展載流子壽命調(diào)控、器件TCAD仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了普適的方法。
除了載流子復(fù)合過程,近年來TDDFT和NAMD相關(guān)方法還被廣泛應(yīng)用于眾多激發(fā)態(tài)載流子動(dòng)力學(xué)過程的模擬,例如,激光誘導(dǎo)相變和熔化、離化分解相關(guān)輻照損傷、熱載流子冷卻和強(qiáng)場(chǎng)下光電流產(chǎn)生等過程。這些過程可能也涉及多種機(jī)制或路徑的相互競(jìng)爭(zhēng),其時(shí)間尺度可能對(duì)非平衡載流子濃度有不同階的依賴。如何采用小的超胞來模擬真實(shí)條件下的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系、準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)測(cè)其時(shí)間尺度,值得關(guān)注。本文中關(guān)于多種機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)和真實(shí)載流子濃度的討論對(duì)這些激發(fā)態(tài)過程的模擬也有借鑒意義。
此項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人和東方學(xué)者、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算物質(zhì)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、新一代集成電路技術(shù)集成攻關(guān)大平臺(tái)和上海期智研究院等支持。
圖1: 本文發(fā)展的系統(tǒng)計(jì)算真實(shí)半導(dǎo)體中有效載流子壽命的方法和流程示意圖。
圖2: 本文計(jì)算的CH3NH3PbI3半導(dǎo)體在不同強(qiáng)度光照下和不同缺陷濃度時(shí)非平衡載流子的濃度變化和穩(wěn)態(tài)濃度、不同復(fù)合機(jī)制對(duì)應(yīng)的壽命和光致發(fā)光量子產(chǎn)率。
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原文標(biāo)題:科研熱點(diǎn)|復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院陳時(shí)友教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表半導(dǎo)體中非平衡載流子壽命計(jì)算方法的研究進(jìn)展
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