基于第一性原理的4H-SiC MOSFET缺陷引起量子效应的建模

《IEEE Transactions on Electron Devices》：First-Principles Modeling of Quantum Effects From Defects in 4H-SiC MOSFETs

碳空位与间隙缺陷对4H-SiC MOSFET量子传输的影响研究，通过DFT与Wannier变换构建晶体链模型，引入缺陷能级并考虑电子-声子耦合，分析阈值电压、亚阈值摆幅等特性，发现近导带底缺陷（V型更显著）及邻近缺陷量子耦合效应会严重劣化载流子传输。

　　

摘要：

缺陷在电子器件的载流子传输中起着重要作用。然而，在传输模拟中对缺陷的量化仍然是一项具有挑战性的任务。在这里，我们提出了一种完整的量子传输模拟方法，并展示了其在有缺陷的4H-SiC MOSFET通道中的应用。该模拟从构建完美4H-SiC晶体链的紧束缚（TB）模型开始，该模型代表了MOSFET通道的局部结构，这一过程是通过密度泛函理论（DFT）和Wannier变换来完成的。然后，通过将缺陷陷阱能级引入模型来打破这种晶体的周期性，这些陷阱能级的参数来自有缺陷的4H-SiC超胞和电荷转移能级（CTL）的计算。为了提高可靠性，模型中还包含了基于第一性原理的电子-声子耦合（EPC）计算得到的载流子散射率。利用这种方法，模拟了每个包含一个陷阱能级的4H-SiC通道的传输特性，包括阈值电压、亚阈值摆幅（SS）、场效应迁移率以及导通状态电流。这些陷阱能级可能是由碳空位（）和间隙原子（）引起的，也可能是基于其他相关研究的结果。结果表明，位于导带最小值附近的陷阱能级会对电子传输产生更严重的负面影响。具体来说，由碳空位引起的性能下降比由间隙原子引起的更为明显。此外，检测到相邻缺陷之间的量子耦合效应会导致更严重的器件性能退化，这表明所提出的模拟方法能够有效捕捉4H-SiC MOSFET通道中缺陷的量子效应。