Silvaco TCAD教程：二维器件仿真与物理模型解析

"Silvaco TCAD是一款广泛应用于半导体器件和集成电路研究、开发、测试及生产中的仿真工具。它包含了二维工艺仿真器ATHENA和二维器件仿真器ATLAS，以及交互式工具DeckBuild和可视化工具Tonyplot。" 在Silvaco TCAD的ATLAS模块中，我们关注的主要知识点涉及计算方法、材料属性、界面特性以及物理模型。 1. 计算方法： 在ATLAS中，器件仿真的核心是泊松方程和连续性方程。为了进行有效的计算，这些基本方程中的量会被去耦，这意味着将它们独立处理。例如，载流子浓度、迁移率、光生成速率等参数由专门的模型定义，通过变量去耦后，这些模型计算出各自量的值，再代入方程求解。这个过程在3.5节中会详细讨论。 2. 材料属性： 材料属性在器件仿真中至关重要。例如，材料硅在300K时的禁带宽度为1.12eV，电子迁移率为1100cm²/V/s，这可以通过`material`命令设置。此外，能带不连续参数（如`align`）用于精确描述异质结，而电子和空穴的俄歇复合寿命可以通过`taun0`和`taup0`定义。材料InP和InGaAs的定义则展示了不同的能带对齐和表面特性。 3. 界面特性： 界面特性定义了半导体之间的边界条件，包括面电荷密度（`qf`）、位置参数（如`x.min`、`x.max`等）和表面复合速度（`s.n`和`s.p`）。例如，界面电荷密度可以通过`interface`命令设定，而电子和空穴的表面复合速度可以影响器件的行为。 4. 物理模型： ATLAS中的物理模型分为五类：迁移率模型、复合模型、载流子统计模型、碰撞离化模型和隧道模型。这些模型用于描述器件中的各种物理过程，如载流子的扩散、复合、生成、禁带变窄等。能带变窄的模型提供了对异质结行为的物理描述，其参数设置直接影响仿真结果的准确性。在模拟异质结时，能带不连续处的网格间距需要精细调整，以避免错误的模拟结果。 Silvaco TCAD的仿真流程通常包括设置材料属性、定义界面条件、选择适当的物理模型，然后通过计算方法解决相关方程，最终得出器件的性能参数。这种仿真技术在半导体行业中用于优化器件设计，减少实验次数，降低成本，并加快新产品的研发进程。