中文摘要：

由于GaN材料特有的优良性质，GaN基高电子迁移率场效应管目前得到了广泛的研究关注，并有望成为下一代的大功率高频器件。相对于实验进展，目前针对GaN基高电子迁移率器件的理论模拟研究比较欠缺。本项目拟建立基于经验赝势哈密顿模型的GaN器件量子力学模拟器，发展能够计算百万原子系统的体带布洛赫态线性组合（LCBB）方法用于GaN器件模拟，并研究相应的输运模型。运用该量子力学模拟器，本项目拟较为系统地研究GaN基高电子迁移率器件中的自发/压电极化问题、位错和原子取向、量子限制效应和隧穿漏电流等物理问题，评估这些问题对器件性能的影响。针对目前GaN器件中的太赫兹波发射问题，本项目拟在器件模型基础上进一步考察多体量子力学效应，对于器件中的太赫兹波发射机制从量子力学角度进行理论研究。

结论摘要：

由于GaN材料特有的优良性质，GaN基高电子迁移率场效应管目前得到了广泛的研究关注，并有望成为下一代的大功率高频器件。相对于实验进展，目前针对GaN基高电子迁移率器件的理论模拟研究比较欠缺。本项目发展了基于原子经验赝势理论的体带布洛赫态线性组合(LCBB)方法用于GaN基场效应晶体管的全量子力学模拟研究，建立了小尺寸GaN基MOS器件和HEMT器件的大规模“原子尺度”量子模型，并扩展应用到III-V半导体纳米MOSFET器件和TFET器件的全量子力学模拟。（1）基于经验赝势模型建立了GaN基MOS器件的大规模“原子尺度”量子模拟方法，研究了GaN基MOS器件中的量子力学效应；（2）对量子模拟方法进行了扩展，建立了适用于硅、锗及III-V半导体MOSFET器件的量子模拟，研究发现22纳米及以下技术节点的MOSFET器件中量子效应影响显著，传统模拟方法已不能描述器件的特性，未来纳米MOS器件及其集成电路的TCAD工具必须基于“原子尺度”的量子模拟；（3）进一步扩展方法，建立了隧穿晶体管的大规模“原子尺度”量子模拟方法，研究了InAs-TFET以及二维材料TFET中的量子力学效应，提出了基于选择性掺杂和原子空位缺陷方法的器件性能优化方案。综上所述，本项目开展了一系列纳米MOS器件的大规模“原子尺度”量子模拟研究，以GaN基高电子迁移率器件为出发点，扩展到了涵盖硅、锗及III-V半导体材料MOSFET器件和TFET器件的量子力学研究，这些理论研究提供的器件性能预测为实验和工程提供了有价值的理论指导，有助于实验和工程中减少试验次数、节省成本，提出的理论优化方案为实验和工程中的半导体器件及其集成电路性能优化提供了理论参考，为未来开发自主产权的量子力学TCAD工具和软件打下了基础。