[发明专利]一种半导体中高斯分布能态间电荷生成、复合模拟仿真方法

说明书

本发明公开了一种半导体中电荷的生成与复合过程数值仿真模型的建立方法。该方法利用半导体材料中能态密度的Gaussian分布特性，直接计算载流子和陷阱电荷的生成与复合过程，同时通过引入有效能级中心或者有效准费米能级简化计算过程。从而提高了对新型半导体材料组成的电子器件设计的效率与准确性，缩小了产品设计周期，并且降低了成本。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及计算微电子学技术领域，特别是涉及一种半导体中能态密度函数符合高斯分布特性的能级中电荷生成复合数值仿真方法。

背景技术

由于信息化时代的到来以及人工智能和物联网技术的兴起，对半导体器件的性能和功能提出越来越高的要求，为了实现这些要求，用数值仿真优化器件结构成了迫切需要解决的问题。但是，新型半导体材料的出现，对传统半导体数值仿真方法提出了新的挑战。

通常半导体数值模拟仿真基于由量子力学抽象出的能带理论，再采用Boltzmann近似，结合电场的高斯公式(1)和载流子连续性方程(2)、(3)，求解器件中的电势和载流子浓度等物理量。这一简化方法极大地降低了集成电路的开发门槛，降低器件研究成本，缩短研发周期，已经有了广泛的应用，并成为集成电路计算机辅助设计不可分割的部分。一般将这一类型的软件称为Technology Computer-Aided Design(TCAD)软件。

对于其中的载流子生成(G_n、G_p)、复合速率(R_n、R_p)，一般使用Shockley-Read-Hall(SRH)复合模型来计算，即：

SRH复合模型是假设所有陷阱有相同的能级，并且导带中的电子与价带中的空穴通过陷阱产生中介复合。但是，随着半导体技术的发展，出现了越来越多的半导体材料不适用Boltzmann近似和SRH复合模型，低结晶度的有机分子便是其中的典型代表。它们的最高占据轨道(Highest Occupied Molecular Orbital)和最低未占据轨道(LowestUnoccupied Molecular Orbital)之间并没有严格的界限，带间直接复合占了很大的比重。这些材料的能态密度分布更多的适用高斯分布函数描述：

其中E为能级中某一具体能级，N为该能级的总态密度，σ为能级分布宽度，E_c为能级中心。

在半导体材料的能级分布结构中，除了存在能够导电的导带和价带之外，由于制作工艺并非绝对完美，以及晶体结构的先天型破缺，使带隙中存在一定量的缺陷态，比如：类施主缺陷和类受主缺陷。这些缺陷态的存在会捕获或者释放不同的电荷，从而改变器件的性能。同样，这些缺陷态也是使用高斯分布函数描述，对载流子的俘获和释放过程同样不能简单地适用SRH复合模型来模拟。因此，对于传统电荷生成、复合模型不再适用的半导体材料，需要回归到相关能态结构的基本物理属性，采用新的计算方法来模拟器件中电荷生成、复合过程。

发明内容

基于此，本发明将利用高斯分布特性，结合电子的费米子属性和电子跃迁的Miller-Abrahams公式(Miller A and Abrahams E 1960 Impurity Conduction at LowConcentrations Phys.Rev.120 745-55)，来分析半导体中不同能态之间电荷的生成和复合过程，通过这一方法，能够高精度地模拟能态密度分布具备高斯分布特性的半导体器件，对以有机半导体为代表的新型半导体材料的应用提供高效准确的分析方法。

为解决以上技术问题，本发明将针对具备高斯分布能态密度(下文简称高斯态密度)特性的能态结构，建立以下半导体中电荷生成与复合仿真技术方案，具体包括如下步骤：