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申请/专利权人：哈尔滨工业大学

摘要：本发明涉及半导体集成电路制造领域，更具体的说是一种应力作用下的异质结隧穿电流模拟研究方法，步骤S1：基于COMSOL仿真软件建立异质结薄膜复杂应力状态下的模型，仿真获取异质结薄膜内应力、应变信息；步骤S2：在MaterialsStudio软件中建立隧穿异质结多层晶体模型，调用CASTEP模块基于第一性原理对晶体模型进行几何优化；步骤S3：将COMSOL仿真软件获取的异质结薄膜内应力分布信息带入CASTEP模块中进行能带结构计算；步骤S4：获得隧穿势垒高度的数值大小，从而获取隧穿电流的改变。本发明将多种模拟计算方法结合，依次进行宏观力学分析和微观电子状态分析，解决了在复杂宏观应力状态下，现有方法无法实现异质结隧穿电流跨尺度模拟研究的技术难题。

主权项：1.一种应力作用下的异质结隧穿电流模拟研究方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤S1：基于COMSOL仿真软件建立异质结薄膜复杂应力状态下的模型，仿真获取异质结薄膜内应力、应变信息；利用COMSOL仿真软件包含的固体力学模块，计算复杂应力作用下的异质结薄膜的应力、应变情况，提取薄膜水平应变和垂直应变信息；模型设定为：几何非线性、固定约束边界条件；所述应力、应变信息包括水平应力、应变信息和垂直应力、应变信息；步骤S2：在MaterialsStudio软件中建立隧穿异质结多层晶体模型，调用CASTEP模块基于第一性原理对晶体模型进行几何优化；建立二维材料隧穿异质结多层晶体模型，以二维材料的原胞为基准，按计算精度需求扩充超胞，同时将层数按需求扩充；最后加上厚度为15Å的真空层，隔绝层与层之间的干扰；之后调用CASTEP模块，采用广义梯度近似（GGA）的PBE泛函描述电子间的交换相互作用，基于第一性原理对晶体模型进行几何优化，以获得稳定的多层结构，确定化学键长度和层间距离参数的取值；几何优化中的三个计算关键参数设定为：SCF收敛精度1×10-6eVatom，K-point为14×14×2，截断能为540eV；步骤S3：将COMSOL固体力学有限元仿真计算获得的水平应变和垂直应变信息带入到CASTEP计算模块中，进行几何优化计算；而后改用更能准确计算能带结构的HSE03进行电子能量计算；计算参数设定为：SCF收敛精度1×10-6eVatom，K-point为7×7×2，截断能为700eV，获取改变后的能带结构，提取与应力状态对应的势垒高度；步骤S4：获得隧穿势垒高度的数值大小，从而获取隧穿电流的改变；直接隧穿和FN隧穿模型是计算隧穿电流的常用模型，直接隧穿适合低偏压下的四边形势垒情况，FN隧穿模型适用高电场引起的三角形势垒情况；对于半导体材料，电子隧穿克服的势垒宽度是绝缘层的厚度，势垒高度与材料的能带结构和其隧穿时的载流子极性和有效载流子浓度直接相关，其中能带结构会受到材料所处的应力状态影响；因此在根据经验和已有研究确定隧穿载流子参数的前提下，通过计算能带结构，即能获得隧穿势垒高度的数值大小，从而获取隧穿电流的改变；确定外部参数，代入隧穿模型，获取隧穿电流密度变化；直接隧穿模型公式为： （1）FN隧穿模型公式为： （2）其中，Aeff为有效接触面积，φB为势垒高度，q为电荷量，m为电子静止质量，m*为电子相对质量，d为两电极之间的距离，即异质结中间绝缘二维材料的厚度，h为普朗克常数，V为偏压；当所选材料种类及层数确定时，电子相对质量和绝缘层厚度即可确定，电子电荷量q和电子静止质量m与普朗克常数h为常量，此时隧道电流只与有效接触面积和势垒高度以及施加的偏压有关；步骤S5：开展计算，获得外加力与器件隧道电流的对应关系。

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