[論文レビュー] Driftfusion: An open source code for simulating ordered semiconductor devices with mixed ionic-electronic conducting materials in one-dimension

Philip Calado, Ilario Gelmetti+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Perovskite Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

Driftfusion は、混合イオン-電子伝導性材料を有する一次元半導体デバイスをシミュレートするオープンソースの MATLAB ベースのシミュレーションツールである。時間に依存する連続の方程式とポアソン方程式を完全に結合することで、電子、ホール、および2種類のイオン種の合計4つのキャリアをモデル化可能である。主なイノベーションは、急峻な境界条件に依存しない、インターフェース固有の特性を柔軟に割り当てられる離散的インターフェース層アプローチであり、ヘイスティリスや一時的応答を示すペロブスカイトベースのオプトエレクトロニクスデバイスの高精度なシミュレーションを可能にする。

ABSTRACT

The recent emergence of lead-halide perovskites as active layer materials for thin film semiconductor devices including solar cells, light emitting diodes, and memristors has motivated the development of several new drift-diffusion models that include the effects of both mobile electronic and ionic charge carriers. The aim of this work is to provide a comprehensive guide to Driftfusion, a versatile simulation tool built for simulating one-dimensional ordered semiconductor devices with mixed ionic-electronic conducting layers. Driftfusion enables users to model devices with multiple, distinct, material layers and up to four charge carrier species: electrons and holes by default plus up to two ionic species. The time-dependent carrier continuity equations are fully-coupled to Poisson's equation enabling transient optoelectronic device measurement protocols to be simulated. In addition to material and device-wide properties, users have direct access to adapt the physical models for carrier transport, generation and recombination. Furthermore, a graded-interface approach circumvents the requirement for boundary conditions at material interfaces and enables interface-specific properties, such as high rates of interfacial recombination, to be introduced.

研究の動機と目的

• 電子的および移動性イオン的電荷キャリアを組み込んだ一次元半導体デバイスのシミュレーションにおいて、アクセス可能で柔軟なツールの不足を解消すること。
• 既存のシミュレータが物理的モデルやデバイス構造を変更する際に複雑な数値的知識を必要としているという制限を克服すること。
• 特に電流-電圧ヘイスティリスを示すデバイスにおいて、界面再結合およびイオン的電荷ダイナミクスの正確なモデリングを可能にすること。
• カスタマイズ可能な材料層、キャリア輸送モデル、一時的測定プロトコルをサポートする、使いやすくオープンソースのプラットフォームを提供すること。
• シミュレーションの正確性を解析的および数値的ベンチマークと照合することで、実際のデバイス挙動を信頼できる精度でシミュレートできることを保証すること。

提案手法

• 本ツールは、ヴァン・ルースブロイック系に基づくドリフト拡散フレームワークを用い、各キャリア種の時間に依存する連続の方程式とポアソン方程式を結合して静電界をモデル化する。
• 最大4種類のキャリア種（電子、ホール、および2種類の異なるイオン種）をサポートしており、複雑な混合イオン-電子伝導体のシミュレーションが可能である。
• 従来の境界条件に代わる、離散的インターフェース層アプローチを採用し、材料特性を薄い界面層にわたって勾配化することで、インターフェース固有のパラメータを定義可能である。
• インターフェースモデルは、界面領域内のキャリア密度およびフラックスに対して解析的近似を用い、体積再結合スキームを用いて表面再結合効果をシミュレート可能である。
• シミュレーションは MATLAB の pdepe ツールボックスを用いて実装されており、デバイス構造の定義、時間に依存する電圧および光プロトコルの適用、出力の解析のための組み込み関数が利用可能である。
• ユーザーは移動度、生成、再結合などの物理的モデルを直接修正可能であり、複数のシミュレーションを並列計算で処理する機能もサポートしている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 柔軟でオープンソースのシミュレーションツールは、混合イオン-電子伝導体を有する一次元半導体デバイスにおける一時的オプトエレクトロニクス応答を正確にモデル化できるか？
• RQ2 離散的インターフェース層アプローチは、従来の急峻な界面モデルと比較して、正確性および数値的安定性の面でどのように異なるか？
• RQ3 Driftfusion は、ペロブスカイト太陽電池やメモリストルにおいて実験的に観測されたヘイスティリス効果をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 数値的手法の深い専門知識が不要な状態で、物理的モデルおよびマルチレイヤー構造のデバイス構造をカスタマイズ可能か？
• RQ5 Driftfusion は、多様なデバイス構成において、解析的解および既存の数値モデルとどの程度整合性を示すか？

主な発見

• Driftfusion は複数のテストケースにおいて一般デバイス挙動を正確に再現し、解析的解および既存の数値モデルと良好な一致を示した。
• 離散的インターフェースアプローチは、急峻な界面を用いるシミュレータと同等の結果を生み出し、線形離散化および界面処理に起因するわずかな誤差しか生じない。
• 移動性イオン種およびインターフェース固有の再結合中心を組み込むことで、ペロブスカイトデバイスにおける電流-電圧ヘイスティリスを正確に捉えた。
• シミュレーションフレームワークにより、物理的モデルの容易な修正および新規材料層の導入が可能となり、既存のツールと比較してカスタマイズの障壁が著しく低減された。
• 2つの解析的モデルおよび2つの既存の数値モデルとの照合により、Driftfusion の数値実装の信頼性および強固さが確認された。
• コードは GitHub で無料で公開されており、並列計算による解の高速化、出力可視化のための組み込み解析およびプロット関数などの高度な機能もサポートしている。