综述：半导体界面的电子结构模拟

《Current Applied Physics》：Electronic structure simulations of semiconductor interfaces

　　

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  总结各种半导体界面的模拟方法。
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  源自界面局域电子结构的特性。
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  指出界面模拟的局限性及人工产物。
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  从解析模型到基于DFT的界面原子尺度建模。

引言

正如 Herbert Kroemer 的深刻名言"界面即器件"[1] 所指出的，在现代凝聚态物理和半导体工程的前沿，界面不仅是不同材料之间的物理边界，而且在决定器件功能方面起着核心作用。界面控制技术是决定传统半导体器件以及核壳量子点、异质结太阳能电池和光催化剂效率的重要因素。

带偏移是分析半导体界面电子结构时最重要的物理量之一。早期的半导体能带排列理论研究主要聚焦于自然带偏移（NBO），仅依赖于体材料的本征性质。协调安德森电子亲和能（EA）规则[15]与支点（BP）规则[16,17]这两种极端方法的修正模型被广泛使用。得益于电子结构计算方法的进步，BP规则作为一种理论方法得到了深入检验。由于具有四面体键合的IV族、III-V族和II-VI族半导体容易形成无缺陷、完全平坦的理想界面结构，测试NBO计算的研究主要集中在这些材料上。

随着研究扩展到p壳层半导体之外，原子排列、掺杂、缺陷和晶格应变等因素不再可以忽略，使密度泛函理论（DFT）成为主要方法。模拟界面所需的大量原子与高昂的计算成本构成了实际难题。为了克服这一问题，平均势方法被广泛使用，同时也有研究者提出了廉价的电子结构方法，如 meta-GGA 或 DFT-1/2。

与理想的原子结构不同，真实界面表现出显著的微观复杂性，包括晶格失配引起的应变、缺陷以及非化学计量比组成或原子互扩散。此外，由于界面的原子结构因实验工艺的不同而变化，使用适当的原子模型来表征给定界面需要综合考虑多个因素。

本综述概述了用于模拟半导体异质结电子结构的计算方法，重点关注带偏移。我们详细讨论了解析模型，并描述了基于DFT的原子尺度建模中使用的各种近似和结构建模策略，以及每种方法的优势、劣势和误差。

章节摘要

本征带偏移

自然带偏移（NBO）是一个假定值，仅由两种半导体的本征电子结构决定，排除了界面特有因素。经典方法是电子亲和能（EA）规则[15]。假设表面电子分布在界面形成时保持不变，则带偏移（BO）等于本征电离能（IP）与电子亲和能（EA）之差。另一种方法是支点（BP）匹配规则[[16], [17], [18]]，它将两种材料的BP对齐

总结

本综述调研了计算半导体界面电子结构的方法，重点关注带偏移——从EA规则和BP规则，到自然带偏移计算，再到界面原子结构模型和各种DFT近似方法。我们描述了平均势方法（APM）和态密度方法（DOS）的优缺点，连同实际应用示例和相关的误差量级，并详细介绍了建模界面原子结构的策略。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

J. Jo 和 S. Kim 获得了 KIST 机构项目（26E0223）的经费支持。

Jinhyeong Jo|Seungchul Kim