一种复杂结构半导体器件模拟方法技术

一种复杂结构半导体器件模拟方法，将基本物理模型按照所采用的数值离散方法全部写成基本子程序，将器件结构按照基本功能单元分解组合成具有固定语法规则的结构文件，编辑器获取每个特殊基本功能单元中每个基本物理模型的属性特征，代码生成器选择判断生成专属某特殊基本功能单元的线性方程组生成子程序，采用函数指针数组关联基本功能单元和基本功能单元的线性方程组生成子程序，根据获得的线性方程组生成子程序，编译整个器件结构的模拟求解程序。本发明专利技术节省了大量在生成结点值增量线性方程组时所需要的额外判断运算量，提高了模拟程序运算性能，大大增加了程序的可维护性。

Simulation method of complex structure semiconductor device

A method to simulate the complex structure of semiconductor devices, the basic physical model according to the numerical discretization method used in all basic subroutines, the device structure according to the structure of the file basic function unit decomposition combined with fixed grammar rules, Attribute Editor for each special function unit in each of the basic basic physical model, code generator selection linear equations generate exclusive a special basic function unit generating subroutine, using linear equations correlation function pointer array basic function unit and the basic function unit generating subroutine, subroutine generated according to linear equations to obtain the simulation program compiled the entire device structure. The invention saves a large amount of extra judgment operation amount needed to generate the node value increment linear equations, improves the operation performance of the simulation program, and greatly increases the maintainability of the program.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复杂结构半导体器件模拟方法。
技术介绍
当前的半导体器件模拟方法通常采用迭代的方法实现对物理变量的求解，如图1所示，其做法是依据数值方法，诸如有限体积法、有限差分法和有限元法，将主导化合物半导体器件性能的非线性偏微分方程组和边界条件转换为以所求解的物理变量的结点值为参数的非线性方程组(AnalysisandSimulationofSemiconductorDevices,S.Selberherr，1984)，这些微分方程组通常包括反映静电势的Poisson方程、反映载流子(电子空穴)准费米势分布的连续性方程、反映载流子系综温度的能流方程等五个二阶偏微分椭圆型方程组成的方程组。离散的过程通常是将器件结构分解成不同特性的基本功能单元，这里是指界面、表面、材料生长时所定义的生长层、物理参数测试所定义的参数差异层等，材料生长层对于金属有机气相化学外延或分子束外延来说是指表征一种或多种参与化学反应或材料生长的前体浓度、温度、压力等源变化时间段内所生长的材料，测试参数差异层是指测试仪器所反映出的界面缺陷、表面缺陷、体材料缺陷种类、某种原子非故意扩散等参数的差异区域。将器件结构分解成这些基本功能单元，依次遍历这些基本功能单元生成以这些单元内结点值变量为参数的小方程组模块，然后通过几何邻接关系或者界面邻接关系或者边界条件组合成大的非线性方程组，如图2所示，这里需要将结点编号重新组织排列。这些非线性方程组的求解通常先以迭代的方法求解，基本过程是假定初始猜测值，通过适当级数展开以结点值增量为变量的线性方程组，选择合适的数值线性代数方法求解线性方程组，目前比较常用的线性方程组有直接消元法和迭代求解，线性方程组通常具有一些特殊的结构，比如三对角或块三对角，能够借助一些快速求解算法比如列选主元的高斯消元法等。根据得到的变量增量继续修改结点变量值，重新生成线性方程组求解新的增量，如此循环迭代直到结点变量增量或者非线性方程组函数值满足一定要求为止，之后进行结果输出及后续处理。随着化合物半导体器件结构的日益复杂，结点值的数目大规模增加，从1D结构的103量级到2D/3D结构的107以上，而且往往为了实现某种器件功能把组成器件结构的基本功能单元的基本特性设置的各不相同。以目前广为使用的化合物半导体多结太阳电池为例，该器件结构通常有20-30层材料的生长层，即使采用同一种材料，比如组成某个子电池的GaInP发射区与基区，设计人员通常把掺杂浓度设置成分别具有a+b(1-x)n和c+dxm的形式，同时基区还有从生长时从背场扩散过来的其他种类元素原子，其在基区层中的分布可能呈现余误差函数分布或高斯分布，这在发射区或其他层里所没有，同时其他层里也有一些基区层所不存在的特性，比如HEMT(高电子迁移率晶体管)的势垒(barrier)层里可能会有面掺杂分布，而沟道(channel)层里含有量子限制效应。另外一个比较显著的例子是界面，化合物半导体器件结构往往含有多个表面或者异质结界面，表面种类有欧姆(Ohmic)接触型、肖特基(Schottky)接触型、自由表面型等种类，即使是同一种类，其分布及缺陷参数等物理特征也不尽相同，异质结界面除了物理特征各不相同外，有的或含有非局域量子隧穿。由于针对不同物理特性采用的离散方法不同，导致所产生的非线性方程组也各不相同，这样在生成结点值增量为系数的线性方程组时，需要先判断这些特征然后分支选择对应的生成方法。如果用一个包罗万象的能够适用所有情况的系数矩阵生成程序，诸如现在各种模拟方法所用的，对于比较小的器件结构，这样的计算增加量不会有质的差别，而对于复杂的化合物半导体器件结构，则会带来质的变化，尤其是结点值数目大大上百万时。目前常用的半导体器件结构模拟软件或者模拟方法，为了实现通用性，采用通用的模拟程序，这样系数矩阵生成时需要做大量结构特性判断进而分支选择生成代码，另一方面由于代码不可能穷举所有器件结构特征因此往往限制了器件模拟的应用范围。
技术实现思路
本专利技术提供一种复杂结构半导体器件模拟方法，节省了大量在生成结点值增量线性方程组时所需要的额外判断运算量，提高了模拟程序运算性能，大大增加了程序的可维护性。为了达到上述目的，本专利技术提供一种复杂结构半导体器件模拟方法，包含以下步骤：步骤S1、将基本物理模型按照所采用的数值离散方法全部写成基本子程序；所述的基本物理模型包含：化合物半导体器件结构的微分方程组所涉及到的物理现象；步骤S2、将器件结构按照基本功能单元分解组合成具有固定语法规则的结构文件，同时编写基本功能单元的默认基本线性方程组生成子程序；所述的基本功能单元包含多个基本物理模型；步骤S3、编辑器读取并分析结构文件，获取每个基本功能单元中每个基本物理模型的参数属性特征，代码生成器根据每个基本功能单元所包含的每个基本物理模型的属性特征，与默认基本功能单元属性特征比较判断该基本功能单元是否为默认基本功能单元，如果否，则生成属于该特殊基本功能单元的线性方程组生成子程序；所述的代码生成器输入每个特殊基本功能单元中每个基本物理模型的属性特征，输出专属某特殊基本功能单元的线性方程组生成子程序；步骤S4、采用函数指针数组关联基本功能单元和基本功能单元的线性方程组生成子程序，使特殊基本功能单元使用其专属的线性方程组生成子程序；步骤S5、根据获得的线性方程组生成子程序，编译整个器件结构的模拟求解程序。所述的物理现象包含：以静电势、载流子准费米势、晶格温度等为参数的微分方程组的流密度及流离散方法；体材料中的离散能级缺陷与连续分布能级缺陷；表面和界面中的离散能级缺陷和连续能级缺陷；跨越不同基本功能单元的附加属性；连接器件结构光学特性与材料属性的物理模型。所述的基本功能单元分为默认基本功能单元和特殊基本功能单元，所述的默认基本功能单元是最常见的形式，默认基本功能单元内的所有基本物理模型的参数属性在基本功能单元所限定的空间尺寸和能量范围内是固定不变的，每个默认基本功能单元具有一个默认基本线性方程组生成子程序，所述的特殊基本功能单元是在默认基本功能单元的基础上，某些基本物理模型的参数属性发生改变；所述的基本功能单元包含：表面、界面、材料生长层、测试参数差异层、光学层；所述的基本功能单元具备在生成线性方程组时能够有效分离成一个独立模块的特征。所述的固定语法规则包含：基本功能单元中的基本参数输入格式、读取方式、错误检查；所述的结构文件是由若干个基本功能单元组成的文件。所述的编辑器从上述结构文件中同时还获取原始器件结构参数，根据其物理意义判断该参数的合理性，如果参数合理，则对该参数进行归一化后转换成适合基本功能单元的线性方程组生成子程序直接调用的数值参数，以全局参数的形式保存该数值参数以方便随时调用。所述的代码生成器选择判断生成专属某特殊基本功能单元的线性方程组生成子程序的方法具体包含：代码生成器以默认基本功能单元的默认的基本线性方程组生成子程序为基础，根据该特殊基本功能单元中基本物理模型的差异，修改默认的基本线性方程组生成子程序中对应该基本物理模型的代码，生成专属某特殊基本功能单元的线性方程组生成子程序。所述的函数指针数组采用C或者fortran语言的函数指针数组。所述的步骤S5包含以下步骤：步骤S5.1、设定结点变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂结构半导体器件模拟方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤S1、将基本物理模型按照所采用的数值离散方法全部写成基本子程序；所述的基本物理模型包含：化合物半导体器件结构的微分方程组所涉及到的物理现象；步骤S2、将器件结构按照基本功能单元分解组合成具有固定语法规则的结构文件，同时编写基本功能单元的默认基本线性方程组生成子程序；所述的基本功能单元包含多个基本物理模型；步骤S3、编辑器读取并分析结构文件，获取每个基本功能单元中每个基本物理模型的参数属性特征，代码生成器根据每个基本功能单元所包含的每个基本物理模型的属性特征，与默认基本功能单元属性特征比较判断该基本功能单元是否为默认基本功能单元，如果否，则生成属于该特殊基本功能单元的线性方程组生成子程序；所述的代码生成器输入每个特殊基本功能单元中每个基本物理模型的属性特征，输出专属某特殊基本功能单元的线性方程组生成子程序；步骤S4、采用函数指针数组关联基本功能单元和基本功能单元的线性方程组生成子程序，使特殊基本功能单元使用其专属的线性方程组生成子程序；步骤S5、根据获得的线性方程组生成子程序，编译整个器件结构的模拟求解程序。

【技术特征摘要】
1.一种复杂结构半导体器件模拟方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤S1、将基本物理模型按照所采用的数值离散方法全部写成基本子程序；所述的基本物理模型包含：化合物半导体器件结构的微分方程组所涉及到的物理现象；步骤S2、将器件结构按照基本功能单元分解组合成具有固定语法规则的结构文件，同时编写基本功能单元的默认基本线性方程组生成子程序；所述的基本功能单元包含多个基本物理模型；步骤S3、编辑器读取并分析结构文件，获取每个基本功能单元中每个基本物理模型的参数属性特征，代码生成器根据每个基本功能单元所包含的每个基本物理模型的属性特征，与默认基本功能单元属性特征比较判断该基本功能单元是否为默认基本功能单元，如果否，则生成属于该特殊基本功能单元的线性方程组生成子程序；所述的代码生成器输入每个特殊基本功能单元中每个基本物理模型的属性特征，输出专属某特殊基本功能单元的线性方程组生成子程序；步骤S4、采用函数指针数组关联基本功能单元和基本功能单元的线性方程组生成子程序，使特殊基本功能单元使用其专属的线性方程组生成子程序；步骤S5、根据获得的线性方程组生成子程序，编译整个器件结构的模拟求解程序。2.如权利要求1所述的复杂结构半导体器件模拟方法，其特征在于，所述的物理现象包含：以静电势、载流子准费米势、晶格温度等为参数的微分方程组的流密度及流离散方法；体材料中的离散能级缺陷与连续分布能级缺陷；表面和界面中的离散能级缺陷和连续能级缺陷；跨越不同基本功能单元的附加属性；连接器件结构光学特性与材料属性的物理模型。3.如权利要求2所述的复杂结构半导体器件模拟方法，其特征在于，所述的基本功能单元分为默认基本功能单元和特殊基本功能单元，所述的默认基本功能单元是最常见的形式，默认基本功能单元内的所有基本物理模型的参数属性在基本功能单元所限定的空间尺寸和能量范围内是固定不变的，每个默认...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玮，李欣益，陆宏波，杨丞，张华辉，张梦炎，陈杰，郑奕，张建琴，
申请(专利权)人：上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31