DASP (Defect and Dopant ab-initio Simulation Package)是一款半導體缺陷和雜質(zhì)性質(zhì)的第一性原理計算模擬軟件包，該軟件包能針對輸入的半導體晶體結構，基于材料基因組數(shù)據(jù)庫和第一性原理軟件包，自動計算并輸出半導體的熱力學穩(wěn)定性，缺陷和雜質(zhì)形成能及離化能級，半導體樣品中缺陷、雜質(zhì)和載流子濃度及費米能級，關鍵缺陷和雜質(zhì)誘導的光致發(fā)光譜、載流子輻射和非輻射俘獲截面及少子壽命。

針對任一半導體，DASP軟件可以計算給出如下性質(zhì)：熱力學穩(wěn)定性、元素化學勢空間的穩(wěn)定范圍、缺陷（含雜質(zhì)，下同）形成能、缺陷轉(zhuǎn)變能級、各生長條件下的費米能級、載流子和缺陷濃度、缺陷的光致發(fā)光譜、缺陷對載流子的俘獲截面、輻射和非輻射復合速率等。

本期將給大家介紹DASP HfO2的本征缺陷計算 5.3.3-5.3.3.2 的內(nèi)容。

5.3.3. 缺陷形成能和轉(zhuǎn)變能級計算DEC

5.3.3.1. 運行DEC模塊

在上一步使用命令dasp 2執(zhí)行TSC模塊時，會生成doping-Ga2O3/tsc目錄，并在該目錄中產(chǎn)生2tsc.out文件。等待程序執(zhí)行完畢，2tsc.out有相應的完成標志。打開doping-Ga2O3/dasp.in，確認化學勢已被程序自動輸入。

確認TSC模塊完成后，回到doping-Ga2O3目錄，使用命令dasp 3執(zhí)行DEC模塊。DEC模塊會在第一步已經(jīng)生成的dec目錄中繼續(xù)輸出相關文件，包括缺陷結構，缺陷目錄，以及運行日志文件3dec.out。等待程序完成期間無需額外操作。

5.3.3.2. DEC模塊運行流程

產(chǎn)生缺陷結構：

根據(jù)dasp.in中的參數(shù)doping = T和impurity = H，DEC模塊將產(chǎn)生Ga2O3的摻雜H的缺陷，即生成doping-Ga2O3/dec/Doping_H計算目錄，在其下面分別有替位缺陷H_Ga，H_O，間隙位缺陷H_i的缺陷結構和目錄。根據(jù)對稱性判斷，Ga2O3晶格中存在兩種不等價的Ga原子，但存在三種不等價的O原子，因此H_Ga缺陷構型有兩種，H_O缺陷構型有三種，H_i的缺陷構型數(shù)量由用戶輸入?yún)?shù)決定。

將部分缺陷的晶體結構拖入晶體可視化軟件，如下圖所示。

DASP產(chǎn)生的摻雜H的Ga2O3的部分缺陷結構。

同時，可在3dec.out看到DEC模塊的輸出如下：

可以看到，DEC模塊目前只產(chǎn)生了所有缺陷電中性（q=0）的計算目錄。

提交各缺陷q=0計算任務：

待中性缺陷的結構及其目錄產(chǎn)生完畢后，DEC模塊將調(diào)用VASP對其進行PBE優(yōu)化和HSE總能的計算（對應于dasp.in中l(wèi)evel = 2的參數(shù)），此步驟等待時間較長?？呻S時檢查3dec.out文件。3dec.out中的相關信息如下所示：

產(chǎn)生帶電缺陷的計算目錄：

等待所有（除能量較高的間隙缺陷）電中性的計算完成之后，程序?qū)⒏鶕?jù)中性缺陷的計算結果，判斷各缺陷的價態(tài)范圍，從而生成各帶電缺陷的目錄及文件，對于計算錯誤（undo，failed，not converged）或者不進行后續(xù)計算（skip）的缺陷，會進行提示。3dec.out中的相關信息如下所示：

提交各缺陷q≠0的計算任務：

待帶電缺陷的結構及其目錄產(chǎn)生完畢后，DEC模塊將調(diào)用VASP對其進行PBE優(yōu)化和HSE總能的計算（對應于dasp.in中l(wèi)evel = 2的參數(shù)），此步驟的等待時間比3.2.2的更長。3dec.out中的相關信息如下所示：

計算帶電缺陷的修正：

所有的帶電缺陷（除能量較高的間隙缺陷）的計算完成后，DEC模塊將計算FNV修正（根據(jù)dasp.in中correction = FNV的參數(shù)），并計算其缺陷形成能和轉(zhuǎn)變能級。由于之前計算錯誤（undo，failed，not converged）或者不進行后續(xù)計算（skip）的缺陷的報錯信息，每個缺陷各價態(tài)的修正量和形成能的具體數(shù)值，都記錄在3dec.out中：

所有的形成能和轉(zhuǎn)變能級的數(shù)據(jù)，也都記錄在各缺陷目錄下的defect.log文件中。

輸出形成能圖像：

最后，DEC模塊利用所有修正過后的Ga2O3在兩個化學勢處的缺陷形成能，自動輸出缺陷形成能 v.s. 費米能級的圖像。如下圖所示：

摻雜H的Ga2O3在p1處（Ga-rich）的缺陷形成能隨費米能級的變化

摻雜H的Ga2O3在p2處（O-rich）的缺陷形成能隨費米能級的變化

同時也會輸出各缺陷轉(zhuǎn)變能級的圖像。如下圖所示：

摻雜H的Ga2O3各缺陷的轉(zhuǎn)變能級

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審核編輯 ：李倩