纳米MOS结构输运性质的第一性原理研究

With the downscaling of nano electronics, the traditional device design method from empirical and classical theories are no longer reliable, therefore, people have to develop some parameter-free method to design emerging electronics from first principles. However, to design device containing hundreds of atoms from first principles, there still exist many basic physical problems, for instance: how to correctly calculate the band gap and effective mass of semiconductors, how to correctly calculate the impurity energy level of doped semiconductors, how to correctly calculate band offset of semiconductor heterojunction and the Schottky barrier of metal/semiconductor junction. In this project, we will study the electronic structures and transport properties of the typical and important MOS structure, from which we will solve the above basic problems for device design. Finally, we will design the MOS devices from first principles.

电子器件发展到纳米尺度后，传统的基于经验和经典理论的器件设计方法将面临诸多困难，人们必须发展无需任何参数的第一性原理方法来进行新兴电子器件设计。然而，用第一性原理方法设计含有成百上千个原子的器件，仍有许多基本的物理问题需要解决，比如：如何正确计算半导体的能带宽度和有效质量，如何正确计算半导体的杂质能级，如何正确计算半导体异质结的能带偏移和金属半导体结的肖特基势垒等。本项目将第一性原理电子器件设计的这些基本问题凝聚在最典型、最重要的MOS器件上，通过全面研究MOS器件的电子结构和输运性质，探索用第一性原理方法解决上述基本物理问题的途径，并最终实现对MOS器件的设计。本项目的研究对全面理解“第一性原理器件设计问题”有重要的基础性意义。

随着电子器件往更小尺寸发展，第一性原理理论计算开始在器件设计中扮演越来越重要的角色。然而，用第一性原理方法设计含有成百上千个原子的器件，仍有许多基本的物理问题需要解决，包括如何提高计算效率、如何准确计算半导体的能带宽度、杂质能级及有效质量，如何准确计算半导体异质结的能带偏移和金属半导体结的肖特基势垒等。本项目将第一性原理电子器件设计的这些基本问题凝聚在最典型、最重要的MOS器件上，通过全面研究MOS器件的电子结构和输运性质，探索用第一性原理方法解决上述基本物理问题的途径。在本项目的研究过程中，我们用第一性原理计算方法，计算了单元、双元及三元IV族、III-V族及II-VI族和钙钛矿半导体材料的能带结构、杂质能级、其异质结的能带偏移值等，提出了预测晶格匹配的半导体异质结的能带偏移值的方案，研究了多个金属半导体异质结器件及MOS器件的电子及自旋输运性质。其中许多计算结果与大量实验结果吻合良好。这些研究为实现第一性原理器件设计做了大量有益的探索工作，对全面理解“第一性原理器件设计问题”有重要的基础性意义。