课题组项目负责人陈时友，微电子学院研究员，2009年获复旦大学物理专业博士学位，2011年5月至2013年05月在劳伦斯-伯克利国家实验室从事博士后研究，曾入选国家级领军人才计划、国家自然科学基金优青、上海市优秀学术带头人。在Nature Comput. Sci., Nature Nanotech., Nature Energy, Phys. Rev. Lett., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等期刊发表论文150余篇，SCI引用14000余次，入选Elsevier中国高被引学者。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题、上海集成电路研发中心探索者计划项目等20余项，曾获教育部自然科学一等奖、中国电子学会自然科学二等奖、中国材料研究学会计算材料学青年奖、上海市青年科技英才、第七届中国科协优秀科技论文奖；担任半导体学报、Computational Materials Sciences等期刊编委、国际半导体缺陷大会（ICDS）咨询委员会委员、2022年国际半导体物理大会（ICPS）程序委员会委员。

课题组主要研究方向为半导体材料、电子器件和光电器件的多尺度计算仿真，具体包括：（1）基于第一性原理、分子动力学和机器学习等方法，发展半导体中缺陷和杂质性质、载流子动力学性质、辐照损伤机制和离子注入等工艺的原子级计算仿真方法和软件；（2）结合原子级和连续介质级仿真方法，发展半导体器件的电学性能、光电性能和可靠性的多尺度、多物理场耦合仿真方法和TCAD软件、发展微纳电子器件紧凑模型的智能化建模和提参方法；（3）基于计算仿真，研究新型化合物半导体、二维半导体和介电层氧化物等体系的缺陷和掺杂物理、可靠性物理机制，设计有高可靠性的逻辑、存储和功率电子器件和高效率光伏和光电器件。

项目领域

半导体材料与器件的多尺度计算仿真和设计

项目背景

半导体材料和器件中必定存在缺陷和杂质，这在一定温度的热力学平衡态下是不可避免的。缺陷和杂质是半导体中平衡载流子的重要来源，同时也对非平衡载流子的复合和寿命有重要影响。因此，缺陷和杂质对半导体电子器件和光电器件的性能有至关重要的影响，如何调控缺陷性质、如何开展有效的掺杂是众多电子器件和光电器件性能优化的关键。

例如， MOSFET晶体管中介电层氧化物中缺陷会在栅压作用下不断地俘获和释放沟道中载流子，引起阈值电压的不稳定和各种可靠性问题；光电器件中深能级缺陷会引起载流子非辐射复合，使光电和电光转换效率低下。要设计高可靠性的MOSFET晶体、高效率的光电器件，都需要开展缺陷和杂质的精准调控。

缺陷和杂质性质的计算仿真是开展精确调控的基础，然而，当前在工业界和学术界广泛使用的各种半导体器件TCAD仿真软件中，缺陷和杂质相关的基本物理模型存在明显不合理、不准确的问题，与实际器件中平衡态和非平衡态下缺陷和杂质的实际行为有很大差距。

若仍继续采用当前广泛采用的缺陷和杂质模型来开展半导体器件仿真，则无法准确、全面揭示缺陷和杂质影响器件性能的微观机理，这导致半导体器件TCAD仿真研究长期停留在依赖实验拟合参数、解释和理解实验结果的层次，无法开展精确的计算预测和仿真设计，制约了高性能、高可靠性半导体器件的优化设计。

项目内容

半导体器件多尺度计算仿真方法和软件发展研究框架图

针对以上问题，课题组以半导体缺陷和杂质性质计算为核心突破口，发展半导体材料和器件的多尺度仿真方法和软件。近期取得的成果包括：

1. 具有自主知识产权的半导体缺陷和杂质第一性原理计算模拟软件DASP

该软件能高通量计算各类半导体材料的热力学稳定性，缺陷和杂质的形成能、离化能级、电离率和浓度，平衡载流子的浓度和费米能级，缺陷和杂质对载流子的俘获截面和诱导载流子辐射和非辐射复合速率。

DASP软件可作为深能级瞬态谱、光致发光谱、正电子湮没谱等缺陷和杂质表征实验技术的“解谱”工具软件，还可为商业化的连续介质级器件TCAD仿真软件提供缺陷和杂质性质、载流子浓度和寿命等基本参数，为各类半导体器件的计算仿真设计和优化提供定量依据。

该软件的商业化版本可在相关云计算平台和云商店购买使用，软件说明书链接如下：http://hzwtech.com/files/software/DASP/html/index.html  

2. 准确模拟各种载流子复合机制相互竞争、并准确计算载流子寿命的系统计算流程和框架

缺陷和杂质可成为非平衡载流子的复合中心，降低载流子寿命，因此，在器件设计时需要考虑缺陷和杂质对载流子复合的影响。但是，目前学术界发展的载流子复合前沿理论仍未应用到工业界的器件仿真软件中。

特别需要指出的是，各类新型半导体的载流子复合机制复杂，多种复合机制之间的竞争关系不明确，复合速率和载流子寿命影响机制独特，若仍然使用传统简化模型开展计算，可能导致计算仿真结果产生很大误差。

本课题组基于多声子非辐射跃迁理论和非绝热分子动力学方法，发展了全面考虑半导体中各类复合机制，并准确计算载流子寿命的系统计算流程和框架。该流程可应用于传统半导体体系和任意新型半导体体系中各种缺陷和杂质影响载流子寿命的研究，为计算模拟各类电子和光电器件中非平衡载流子行为提供了精确的方法。

3. 描述MOSFET相关器件偏压温度不稳定性、随机电报噪声、介电经时击穿等可靠性问题的全新物理模型及仿真软件开发

基于缺陷和载流子相互作用的多声子非辐射跃迁模型，课题组发展了MOSFET相关器件中缺陷俘获和释放载流子引起器件I-V曲线偏移的全新物理模型和定量仿真软件。该模型解决了传统器件仿真软件中缺陷种类划分单一、缺陷构型转变路径过于简单等问题，可准确模拟当前各类MOSFET相关器件中缺陷诱导的偏压温度不稳定性（BTI）、随机电报噪声（RTN）、介电层经时击穿（TDDB）等可靠性问题，定量计算I-V特性变化。

相比当前广泛使用的商业化器件仿真软件，该软件采用更合理的缺陷物理模型，不仅可以更准确研究传统硅基MOSFET器件的可靠性物理机制，而且适用于基于各类新材料、新工艺的半导体器件（例如，SiC和Ga2O3基功率器件、二维逻辑和存储器件）可靠性研究，从而为各类相关器件的可靠性物理研究提供了统一的计算仿真工具。

项目总结

依托自主发展的半导体材料与器件多尺度仿真方法和软件，课题组希望为逻辑、存储和功率等方面微电子企业，光伏和光电等领域企业提供半导体材料、器件和工艺相关计算仿真技术服务，也希望与EDA和TCAD软件相关企业合作开发基于人工智能技术的DTCO类软件。相关合作，请与技术转移中心或课题组联系。课题组项目负责人电子邮箱：chensy@fudan.edu.cn。

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