[논문 리뷰] Driftfusion: An open source code for simulating ordered semiconductor devices with mixed ionic-electronic conducting materials in one-dimension

Philip Calado, Ilario Gelmetti외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 09.

Perovskite Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

Driftfusion은 혼합 이온-전자 도핑 물질을 갖는 1차원 반도체 장치를 위한 오픈소스 MATLAB 기반 시뮬레이션 도구로, 완전히 결합된 시간에 의존하는 연속 방정식과 포아송 방정식을 통해 최대 네 명의 운반자(전자, 정공, 그리고 두 종류의 이온 종류)를 모델링할 수 있다. 주요 혁신은 급격한 경계 조건에 의존하지 않고 유연하게 표면 특성을 할당할 수 있도록 하는 이산 상층계면 접근법으로, 히스테리시스 및 일시적 반응을 보이는 퍼보스카이트 기반 옵티오일렉트로닉 장치의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전자 및 이동 가능한 이온 운반자 양측을 포함하는 1차원 반도체 장치를 위한 접근 가능하고 유연한 시뮬레이션 도구의 부족을 해결하기 위해.
• 기존 시뮬레이터들이 물리적 모델이나 장치 아키텍처를 수정하기 위해 복잡한 수치 지식이 필요로 하는 한계를 극복하기 위해.
• 특히 전압-전류 히스테리시스를 보이는 퍼보스카이트 기반 장치에서의 표면 재결합 및 이온 운반자 동역학을 정확하게 모델링하기 위해.
• 사용자 친화적이고 오픈소스 플랫폼을 제공하여 사용자 정의 가능한 재료 층, 운반자 이동 모델, 일시적 측정 프로토콜을 지원하기 위해.
• 도구의 정확성을 분석적 및 수치적 기준과 비교하여 실제 장치 행동을 신뢰할 수 있게 시뮬레이션할 수 있도록 보장하기 위해.

제안 방법

• 도구는 바른 로스브로이크 체계에 기반한 드리프트-디퓨전 프레임워크를 사용하며, 각 운반자 종류에 대한 시간에 의존하는 연속 방정식과 전기적 장을 모델링하기 위한 포아송 방정식을 결합한다.
• 최대 네 종류의 운반자 종류를 지원한다: 전자, 정공, 그리고 두 가지 다른 이온 종류로, 복잡한 혼합 이온-전자 도핑 도핑 물질의 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 이산 상층계면 접근법은 기존의 급격한 경계 조건을 대체하여, 재료 특성을 얇은 계면층을 통해 점진적으로 변화시키는 방식으로, 계면 특성에 맞는 매개변수를 정의할 수 있도록 한다.
• 계면 모델은 계면 영역 내 운반자 농도와 확산류에 대해 분석적 근사치를 사용하여 체적 재결합 기법을 통해 표면 재결합 효과를 시뮬레이션할 수 있도록 한다.
• 시뮬레이션은 MATLAB의 pdepe 도구상자를 사용하여 구현되었으며, 장치 아키텍처 정의, 시간에 따라 변화하는 전압 및 빛 프로토콜 적용, 출력 분석을 위한 내장 기능을 제공한다.
• 사용자는 직접 물리적 모델(예: 이동도, 생성, 재결합)을 수정할 수 있으며, 복수의 시뮬레이션을 위한 병렬 계산도 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자 정의 가능한 유연한 오픈소스 시뮬레이션 도구가 혼합 이온-전자 도핑 도핑 물질을 갖는 1차원 반도체 장치에서 일시적 옵티오일렉트로닉 반응을 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 이산 상층계면 접근법은 기존의 급격한 계면 모델에 비해 정확도와 수치적 안정성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 Driftfusion은 퍼보스카이트 태양전지 및 메모리스터에서 실험적으로 관측된 히스테리시스 효과를 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ4 깊은 수치 방법 전문 지식 없이도 사용자 정의 가능한 물리적 모델과 다층 장치 아키텍처를 지원할 수 있는가?
• RQ5 Driftfusion은 다양한 장치 구성에서 분석적 해법과 기존 수치 모델과 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• Driftfusion은 다양한 시험 케이스에서 일반적인 장치 행동을 성공적으로 재현하였으며, 분석적 해법과 기존 수치 모델과 양호한 일치를 보였다.
• 이산 계면 접근법은 급격한 계면 모델을 사용하는 시뮬레이터와 비교해 유사한 결과를 도출하였으며, 선형 이산화 및 계면 처리로 인한 극소수의 오차 외에는 거의 차이가 없었다.
• 이동 가능한 이온 종류와 계면 특성에 맞춘 재결합 중심을 포함함으로써 도구는 퍼보스카이트 장치에서 전압-전류 히스테리시스를 정확하게 포착하였다.
• 시뮬레이션 프레임워크는 사용자가 물리적 모델을 쉽게 수정하고 새로운 재료 층을 도입할 수 있도록 하여, 기존 도구에 비해 커스터마이제이션의 장벽을 크게 낮추었다.
• 두 분석적 모델과 두 기존 수치 모델에 대한 검증을 통해 Driftfusion의 수치적 구현이 신뢰성 있고 강건함을 입증하였다.
• 코드는 GitHub에서 무료로 제공되며, 병렬 계산, 내장된 분석 및 플로팅 기능을 통해 출력 시각화를 지원하는 고급 기능도 제공한다.