综述：朝着从零开始（Ab Initio）技术的计算机辅助设计方向发展

《Current Applied Physics》：Toward Ab Initio Technology Computer-Aided Design

　　

摘要

计算机辅助设计（TCAD）技术在过去半个世纪中推动了晶体管的不断小型化，但其半经典理论基础原本并不适用于纳米级甚至原子级别的器件。随着半导体行业向2纳米及更小尺寸的发展，基于第一性原理的TCAD框架已成为迫切需求。本教程分三个阶段详细阐述这一观点：首先指出半导体方程中在原子尺度上失效的部分，特别强调了准费米能级（QFL）作为表征非平衡态传输的关键参数；接着分析密度泛函理论与非平衡格林函数方法的局限性及其所基于的朗道模型；最后介绍多空间约束搜索密度泛函理论（MS-DFT），该理论通过多空间激发视角重新构建了非平衡态总能量和原子力的计算方法，并能够直接得出空间分辨的准费米能级分布。MS-DFT的应用包括二维晶体管中金属接触的传输长度分析以及栅极堆栈缺陷的动力学研究。

章节摘录

引言

在过去的六十年里，半导体行业持续保持着戈登·摩尔于1965年提出的指数级发展轨迹[1]（见图1）。这种发展实际上源于场效应晶体管（FET）和互补金属氧化物半导体（CMOS）技术领域的多项重大物理创新：例如向应变硅材料的转变，以及用高介电常数材料替代SiO?/多晶硅栅极堆栈并采用金属栅极等。

半经典设备TCAD及其在原子尺度上的局限性

首先，有必要总结现代设备TCAD通常解决的研究内容，并回顾相关关键假设[6][7][26][27]。从某种意义上说，标准TCAD框架本身就是目标：一个“从头算”的设备模拟器只有在能够提供设备工程师所需的数据时才有实际价值（见图3）。

DFT：总能量与Kohn-Sham本征值

密度泛函理论是现代第一性原理电子结构计算的基础[11][30]。在玻恩-奥本海默近似下，系统中相互作用电子的基态状态仅通过电子密度即可确定（基于霍亨伯格-科恩定理[15][31]）。Kohn-Sham（KS）方法[16][32]通过将这种问题转化为一个非相互作用、独立电子系统的模型，使其在计算上变得可行。

改变研究视角

如果第III-C节中列举的局限性都源于朗道模型，那么自然会引发一个疑问：是否存在另一种更合适的模型？图4(c) [23][24]中示意的多空间激发视角正是这样的替代方案。该方法将偏置状态视为封闭系统中的特殊激发态，而非与两个巨正则库进行物质交换的开放系统。

分子晶体结：从头算得到的准费米能级分布

从TCAD的角度来看，准费米能级作为承载半经典器件物理非平衡态信息的核心参数，是连接传统TCAD方法和从头算方法的桥梁。然而，在肖克利首次提出这一概念[26][27]后的七十五年里，原子尺度上的准费米能级表征一直难以实现。而在MS-DFT框架中，这一目标已可直接实现，因为通道态及其占据数可以被明确计算出来。

总结与展望

本综述将MS-DFT置于第一性原理TCAD的框架内进行讨论。半经典设备TCAD依赖有效质量和玻尔兹曼近似来描述载流子行为及漂移扩散过程。前者在低维和强杂化系统中失效；后者忽略了隧穿效应，而在许多现有及未来的器件设计中，隧穿不仅是重要的能量损失途径，还是器件工作的关键机制。因此，我们需要从这些传统理论中保留有用的部分。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本文基于在ISPSA 2026（第22届国际半导体物理与应用研讨会）和CCP 2026（第37届IUPAP计算物理学会议）上的教程演讲。作者感谢Kim Dong-Wook教授和Hong Suklyun教授的邀请，以及Lee Seung Mi博士建议将这篇演讲提交为学术论文。本研究得到了韩国国家研究基金会（项目编号2022K1A3A1A91094293）的支持。

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