纳米器件设计的大规模量子模拟新方法研究

As the key feature size of the semiconductor device shrinks to atomic layer thickness, device physics has been changing from classical model and semi-classical simulation to atomic scale quantum mechanical description. One must consider the full quantum mechanical wave function of the whole device in order to understand and discover the new physics of nanometer novel devices, as well as to design novel devices in the post Moore’s era. Current device simulation methods and software based on density-functional theory are usually limited by ideal interfaces and small sizes (less than 1000 atoms), so that cannot be used for accurate simulations on real size devices. This project aims to develop linear scaling three-dimensional fragment method and folded spectrum plane wave method for large scale electronic structure and quantum transport calculations in real size whole devices and non-ideal interfaces (more than 100,000 atoms), in a way to large scale device simulation. We are also going to develop large scale ab initio device simulation package. Based on the large scale device simulation, we are going to study the realistic metal contacts, complex dielectric interfaces as well as the single dopant quantum effects in nanometer semiconductor devices. This will provide basic theoretical guideline and numerical simulation tool for the future novel device design.

随着纳米半导体器件的关键尺寸缩小到接近原子层厚度，器件物理的发展已经从经典模型和半经验模拟进入原子尺度的量子力学描述。对原子尺度器件物理的理解和发现，以及后摩尔时代新器件的计算机辅助设计，必须考虑整个器件体系的全量子力学波函数。现有基于密度泛函理论的器件模拟方法和软件受限于理想界面和有限体系（通常少于1000原子），还不能用于真实器件的精确模拟。本项目在前期工作基础上，发展可线性并行扩展的三维区域分解电子结构计算方法和基于平面波谱折叠技术的量子输运计算方法，用于真实器件界面和全器件体系（通常多于10万原子）的第一性原理量子模拟，进行器件模拟程序和软件的开发，并以此探讨新型器件中的真实金属接触物理、复杂栅介质界面可靠性物理和器件沟道单杂质量子效应，为新器件研制提供基础理论指导和数值模拟工具。

在后摩尔时代，随着先进制程半导体器件的特征长度达到纳米尺度，其中量子效应的影响变得越来越显著。经典的器件模拟方法难以对纳米半导体器件进行准确的描述，必须使用全量子力学的、特别是基于第一性原理的模拟方法。目前常用的第一性原理器件模拟方法能够模拟的体系规模通常少于一千原子，无法应用于真实的纳米器件。本项目发展了基于平面波的第一性原理器件电子结构和量子输运模拟方法，对大规模的纳米铜互连和晶体管体系进行模拟计算，并对半导体器件中的复杂界面和缺陷的量子效应进行了模拟研究。（1）发展了一套大规模第一性原理器件模拟方法和软件，在较小规模的计算集群上已可模拟十万原子体系的电子结构和一万原子规模晶体管器件的输运性质；（2）研究了纳米铜互连体系中的不同类型缺陷对电导的影响，并探究了其中的量子干涉效应；（3）结合马库斯电荷转移理论和密度泛函计算，提出一种新的模拟半导体器件中电荷俘获过程的方法，对硅与无定形二氧化硅等形成的复杂界面中的电荷俘获过程首次在杂化泛函层次上进行了模拟研究；（4）基于多声子参与的非辐射跃迁理论，发展了在考虑非简谐效应基础上的模拟多声子跃迁过程的新方法，为马库斯理论中的耦合常数给出了明确的物理表达式。综上所述，本项目发展了纳米半导体器件模拟新方法，可以模拟器件的量子输运和缺陷等多种物理过程，对数种纳米半导体器件体系进行了理论研究，这些理论研究对于器件的性能预测和可靠性物理研究提供了有价值的理论指导。本项目发展的模拟方法也为未来开发自主产权的原子级TCAD工具打下了基础。