复旦大学陈时友团队
1 引言
缺陷和杂质对半导体的电学和光学等性质有重要影响，缺陷和杂质物理是半导体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基础。自上世纪90年代，基于密度泛函理论的缺陷和杂质第一性原理计算模拟引起广泛关注，已成为缺陷和杂质的基本研究手段之一。然而，缺陷和杂质性质的第一性原理计算目前还存在模型和过程复杂、难以与实验表征结果直接对比等诸多问题。首先，由于缺陷和杂质的形成能和浓度既依赖于元素化学势，又依赖于电子费米能级，其计算包括体相、杂相、缺陷和杂质超胞的多步计算，过程复杂。对于多元化合物半导体和低对称性半导体，缺陷和杂质的种类和结构构型繁多，更是大大增加了复杂度。其次，交换关联泛函近似和超胞大小的限制导致计算结果容易出现较大误差，需要引入多方面的修正。最后，当前大部分缺陷和杂质的计算研究仅给出了形成能和离化能级的计算结果，而缺少不同生长条件下浓度、载流子浓度、寿命和光致发光谱等结果，难以与深能级瞬态谱、光致发光谱等实验表征结果进行直接、全面的对比，限制了计算结果对实验研究的可参考性。
2 成果简介
为提高半导体缺陷和杂质第一性原理计算模拟研究的效率、提高计算结果的精度和对实验的可参考性，复旦大学陈时友团队发展了缺陷和杂质的第一性原理计算模拟软件DASP (Defect and Dopant ab-initio Simulation Package)。其能针对输入的半导体晶体结构信息，调用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和元素化学势范围，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复合速率及少子寿命。这些计算结果可以直接与深能级瞬态谱、光致发光谱等电学和光学表征结果进行全面对比，为“解谱”提供微观依据，并为缺陷和杂质调控提供定量参考。
当前，众多新型半导体器件的TCAD仿真受制于缺陷和杂质模型参数的缺乏，DASP软件的计算结果可以直接作为TCAD仿真的输入参数，为各类半导体器件的设计和优化提供定量依据。因此，DASP软件有望成为半导体器件原子级TCAD仿真软件平台的重要组成部分，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。
3 图文导读
图1 DASP软件的4个主要功能模块介绍。
图2 DASP软件计算的三元化合物半导体SbSeI的元素化学势空间相图。
图3 DASP软件计算的SbSeI半导体的缺陷浓度、费米能级和载流子浓度随生长条件中元素化学势的变化、缺陷构型和离化能级位置。
图4 DASP软件计算的GaN中CN杂质的光致发光谱。
DASP软件的计算模型、算法和功能介绍论文近日发表在卓越期刊《Journal of Semiconductors》上（J. Semicond., 2022, 43, 042101; doi: 10.1088/1674-4926/43/4/042101）。感兴趣的读者可以通过鸿之微云注册使用DASP软件，详细说明书见：http://hzwtech.com/files/software/DASP/html/index.html。
作者介绍
陈时友，复旦大学微电子学院研究员。主要从事半导体材料和器件的第一性原理计算模拟和理论设计研究，包括多元化合物半导体、缺陷和杂质物理、电子器件的原子级仿真方法和TCAD软件、辐照效应和可靠性等方面。发表论文140余篇，SCI引用11000余次。曾获教育部自然科学一等奖、中国电子学会自然科学二等奖，入选国家自然科学基金优青、上海市优秀学术带头人（青年）等人才计划，担任半导体学报、Computational Materials Sciences等期刊编委、2022年半导体物理国际大会（ICPS，悉尼）程序委员会委员。
黄梦麟，复旦大学微电子学院博士后。2020年博士毕业于华东师范大学物理与电子科学学院物理电子学专业。主要开展半导体材料中缺陷和杂质的第一性原理计算模拟方法和软件开发、电声耦合效应和器件偏压温度不稳定性研究。在JACS、Chemical Review、Small、Phys. Rev. Appl.等期刊发表第一或通讯作者论文8篇，在Nature Energy、Adv. Mater.等期刊发表参与作者论文11篇。
论文发表刊物链接
1、发表刊物：半导体学报
2、DASP: Defect and Dopant ab-initio Simulation Package
Menglin Huang, Zhengneng Zheng, Zhenxing Dai, Xinjing Guo, Shanshan Wang, Lilai Jiang, Jinchen Wei, Shiyou Chen
J. Semicond,2022, 43(4): 042101. doi: 10.1088/1674-4926/43/4/042101
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