DASP 2022B版本發(fā)布 四大模塊功能上新

DASP (Defect and Dopant ab-initio Simulation Package)是一款半導體缺陷和雜質的第一性原理計算模擬軟件。該軟件包能針對輸入的半導體晶體結構，基于材料基因組數(shù)據(jù)庫和第一性原理軟件包，自動計算并輸出半導體的熱力學穩(wěn)定性，缺陷和雜質形成能及離化能級，半導體樣品中缺陷、雜質和載流子濃度及費米能級，關鍵缺陷和雜質誘導的光致發(fā)光譜、載流子輻射躍遷過程。

此前DASP版本的載流子動力學(CDC)模塊已實現(xiàn)缺陷誘導的光致發(fā)光譜形狀和缺陷對載流子的輻射俘獲系數(shù)的計算。本次更新增加了缺陷對載流子的非輻射俘獲系數(shù)的計算功能。該功能通過計算半導體的帶邊態(tài)和缺陷態(tài)之間的電聲耦合，給出缺陷對載流子的非輻射俘獲系數(shù)（截面）。計算結果可以與深能級瞬態(tài)譜（DLTS）測量的俘獲截面對比，也可作為半導體器件TCAD仿真中缺陷的載流子俘獲截面的輸入參數(shù)。

DASP 2022B版本的CDC模塊介紹

基于計算的非輻射俘獲系數(shù)（截面），該模塊還可以根據(jù)Shockley-Read-Hall公式計算半導體中非平衡載流子由缺陷誘導的非輻射復合壽命。同時，CDC模塊在計算缺陷誘導的光致發(fā)光譜時，還可以計算缺陷通過輻射過程俘獲電子和空穴載流子的俘獲系數(shù)，基于此，可以進一步計算缺陷通過輻射過程對非平衡載流子壽命的影響。綜合多種載流子復合機制，可以分析載流子壽命的主要影響機制，并與實驗測量的壽命比較。

該功能的計算可以采用普通的局域密度近似或廣義梯度近似泛函、或者雜化泛函進行。

目前DASP的功能簡介

本次更新后，DASP四個模塊的功能已經(jīng)完備，具體簡介如下：

熱力學穩(wěn)定性計算模塊TSC

通過Pymatgen訪問Materials Project數(shù)據(jù)庫，快速判斷目標化合物的穩(wěn)定性，確定化合物半導體的關鍵競爭相，并自動計算各元素化學勢的取值范圍。

缺陷能量計算模塊DEC

構建近似立方的超原胞，基于對稱性產(chǎn)生各類缺陷和雜質的構型，調(diào)用第一性原理軟件開展結構優(yōu)化、電子結構和能量計算。根據(jù)第一性原理計算結果和TSC模塊的結果自動計算缺陷的形成能和離化能級，并自動計算各項誤差修正。

缺陷濃度計算模塊DDC

讀入TSC和DEC模塊計算結果，預測不同化學勢和溫度條件下制備的半導體樣品中各類缺陷和雜質的濃度、費米能級位置和載流子濃度，給出其隨元素化學、制備溫度和工作溫度的變化。

載流子動力學計算模塊CDC

根據(jù)DDC模塊計算結果，確定關鍵的缺陷和雜質，及其對應的載流子激發(fā)態(tài)動力學過程，開展光學性質和電聲耦合性質計算，據(jù)此進一步計算光致發(fā)光譜、載流子的輻射和非輻射俘獲截面、速率等參數(shù)，結合缺陷和雜質濃度信息計算非平衡載流子壽命。

圖1：DASP各模塊功能介紹

載流子非輻射俘獲系數(shù)計算的實例

該計算使用靜態(tài)耦合公式，并結合一維位形圖（configuration coordinate diagram）的方法，模擬載流子從帶邊態(tài)到缺陷態(tài)之間的非輻射躍遷過程。具體計算的物理量包括：電聲耦合矩陣元、振動波函數(shù)重疊積分、缺陷對電子和空穴的非輻射俘獲系數(shù)（截面）。圖2和圖3中計算結果是對128個原子的GaN超胞中CN的替位雜質進行非輻射俘獲系數(shù)的計算得到的。

根據(jù)DEC模塊的計算，該雜質的(?/0)轉變能級位于VBM以上1.07 eV，由于距離CBM較遠，電子從CBM到缺陷態(tài)的躍遷過程應該是輻射的；由于距離VBM較近，空穴從VBM到缺陷態(tài)的過程應該是非輻射的。因此，本實例中，使用CDC模塊計算該缺陷對空穴載流子的非輻射俘獲系數(shù)（類似地，我們可以使用CDC模塊對其他缺陷和雜質對電子或空穴載流子的非輻射俘獲系數(shù)的計算）。當計算開始后，CDC模塊將讀取DEC模塊的計算輸出（缺陷結構、帶電狀態(tài)、本征值、轉變能級等）進行一維位形圖（圖2）和電聲耦合的計算，最終在考慮索末菲因子的貢獻后，可輸出俘獲系數(shù)隨溫度的變化，見圖3。

圖2：采用CDC模塊計算的GaN中CN雜質態(tài)俘獲空穴載流子的振動勢能面曲線

圖3：采用CDC模塊計算的GaN中CN雜質態(tài)對空穴載流子的俘獲系數(shù)隨溫度的變化

以上的計算采用簡諧近似的方法，即默認（圖2）勢能面曲線為拋物線類型。在某些體系中，缺陷的振動勢能面曲線不滿足簡諧近似，無法用拋物線擬合。對這種非簡諧的情況，該模塊也可以準確考慮，通過更改輸入文件中的擬合方法，采用樣條曲線的方法擬合非簡諧的勢能面曲線，進而描述非簡諧效應對非輻射復合系數(shù)的影響。詳細參數(shù)設置方法可參見手冊中的應用案例。