楊金彪,廖文虎,,鮑海瑞

(1.吉首大學(xué)通信與電子工程學(xué)院,湖南 吉首 416000;2.吉首大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院,湖南 吉首 416000)

電子晶體管作為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,在人類社會(huì)的發(fā)展過程中起到了不可或缺的重要作用.根據(jù)摩爾定律預(yù)測(cè),集成電路中的晶體管數(shù)量每2年便會(huì)增加1倍,因此,探尋納米尺度的電子器件是后摩爾定律時(shí)代的必然選擇.二極管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的關(guān)鍵組成部分,主要由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體燒結(jié)的PN結(jié)構(gòu)成[1-2].此外,半導(dǎo)體和金屬接觸構(gòu)建的肖特基二極管也因其獨(dú)特的性能在微電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3].近年來,學(xué)者利用第一性原理研究方法,探索了碳化硅PN結(jié)二極管的整流特性[4]及單分子二極管的整流特性[5].碲化鎘屬于具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)[6]和纖鋅礦結(jié)構(gòu)[7]的II-VI族半導(dǎo)體材料,有獨(dú)特的物理特性,因而被廣泛應(yīng)用于制作電子學(xué)和光電子學(xué)器件[8-13].對(duì)于現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝而言,摻雜是一種非常重要的調(diào)控手段,在半導(dǎo)體材料中摻雜少量雜質(zhì)原子,不僅可以提高半導(dǎo)體的電子輸運(yùn)性能[14],還可以拓寬半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域[15-16].Alzaid等[17]研究了銅摻雜碲化鎘納米薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性,結(jié)果顯示,銅摻雜碲化鎘納米結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出P型導(dǎo)電行為,且電導(dǎo)率隨著銅摻雜濃度的增大而增強(qiáng).Yao等[18]的研究表明,釩和鉻摻雜的碲化鎘具有半金屬特性.

目前,盡管碲化鎘晶體在原子摻雜方面的研究已有較多報(bào)道,主要集中在電學(xué)、光學(xué)和磁性等方面,但在納米尺度電子器件的原理與設(shè)計(jì)方面,特別是整流特性方面還具有較大的研究空間.基于此,筆者采用密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法,研究了銅-鉻、銅-釩和銅-鈦共摻雜碲化鎘納米電子器件整流特性的影響.

1 模型與方法

碲化鎘納米電子器件的模型如圖1所示.該模型是利用具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的碲化鎘納米材料在過渡金屬原子(銅-鉻、銅-釩、銅-鈦)摻雜下構(gòu)建的碲化鎘納米電子器件模型.碲化鎘納米電子器件分為左電極、右電極和中心散射區(qū).左電極由銅原子部分替代鎘原子的碲化鎘組成,右電極由鉻、釩和鈦原子部分替代鎘原子的碲化鎘組成,中心散射區(qū)由銅-鉻、銅-釩和銅-鈦原子共摻雜的碲化鎘組成.該器件默認(rèn)設(shè)置電極摻雜鉻、釩和鈦原子部分接電源正極,電極摻雜銅原子部分接電源負(fù)極,外加電場(chǎng)的電流方向見圖1中虛線箭頭.該器件模型通過Device Studio搭建完成,其結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過VASP完成且原子受力收斂精度不低于0.1 eV/nm,電流-電壓特性通過Nanodcal量子輸運(yùn)軟件模擬完成.研究過程中,選擇自洽哈密頓量和局域密度近似交換關(guān)聯(lián)勢(shì)LDA-DZP,費(fèi)米溫度設(shè)為100 K,能量截?cái)喟霃饺?0 Hartree.器件的周期方向?yàn)閄和Y方向,電子輸運(yùn)方向?yàn)閆方向.左電極、右電極和中心散射區(qū)的自洽K點(diǎn)取樣分別為1×1×100,1×1×100和1×1×1.

圖1 碲化鎘納米電子器件模型示意Fig.1 Schematic Diagram of CdTe Nanoelectronic Device Model

在考慮外加偏壓條件下,碲化鎘納米電子器件的電流I可由朗道公式[19]計(jì)算,即

其中:VB表示左右電極上的偏壓;T(E,VB)表示在能量為E、電壓為VB條件下的透射系數(shù);μL表示左電極的化學(xué)勢(shì);μR表示右電極的化學(xué)勢(shì);fL表示左電極的費(fèi)米狄拉克分布函數(shù);fR表示右電極的費(fèi)米狄拉克分布函數(shù).

正向整流比是考察納米電子器件整流性能的重要指標(biāo),定義為正偏壓條件下的電流比負(fù)偏壓條件下的電流絕對(duì)值[20],即

2 結(jié)果

銅-鉻、銅-釩和銅-鈦摻雜下碲化鎘納米電子器件的電流-電壓特性如圖2(a)所示.從圖2(a)可知,3種摻雜類型下,在[-1.2 V,+1.2 V]偏壓范圍內(nèi),器件的電流-電壓特性曲線均呈現(xiàn)良好的二極管伏安特性,說明3種器件可應(yīng)用于整流電路中.此外,原子共摻雜改變了碲化鎘納米電子器件的傳輸能力,其中,在[0 V,+0.6 V]偏壓范圍內(nèi),銅-鈦共摻雜的碲化鎘納米二極管的電流大于銅-鉻和銅-釩共摻雜的,而在[+0.6 V,+1.2 V]偏壓范圍內(nèi),銅-鉻共摻雜的碲化鎘納米二極管的電流大于銅-釩和銅-鈦共摻雜的.

銅-鉻、銅-釩和銅-鈦摻雜下碲化鎘納米電子器件的電導(dǎo)-電壓特性如圖2(b)所示.從圖2(b)可知,器件電導(dǎo)-電壓曲線呈現(xiàn)出與伏安特性類似的變化規(guī)律,在[0 V,+0.6 V]偏壓范圍內(nèi),銅-鈦共摻雜的碲化鎘納米二極管的導(dǎo)電性最強(qiáng),在[+0.6 V,+1.2 V]偏壓范圍內(nèi),銅-鉻共摻雜的碲化鎘納米二極管導(dǎo)電性最強(qiáng).3種器件在0 V偏壓條件下均呈現(xiàn)出金屬特性,說明3種器件均具有良好的導(dǎo)電性能.

圖2 碲化鎘納米二極管的傳輸特性Fig. 2 Transmission Characteristics of CdTe Nanodiodes

銅-鉻、銅-釩和銅-鈦摻雜下碲化鎘納米二極管的整流性能如圖3所示.

圖3 碲化鎘納米二極管的整流特性Fig. 3 Rectification Characteristics of CdTe Nanodiodes

從圖3(a)可知,3種器件的線性坐標(biāo)整流比最大值均隨著右電極摻雜原子半徑的增加而增加,在0.8,0.5,0.4 V下,銅-鉻、銅-釩和銅-鈦共摻雜的碲化鎘納米二極管的最大整流比分別為5.41×104,3.88×105,2.16×106.從圖3(b)可知,在[+0.4 V,+1.0 V]偏壓范圍內(nèi),銅-鉻、銅-釩和銅-鈦共摻雜的碲化鎘納米二極管對(duì)數(shù)坐標(biāo)整流比均有良好的整流特性且整體整流比均達(dá)102以上,說明正常工作狀態(tài)下3種器件能夠?qū)崿F(xiàn)良好的正向?qū)ê头聪蚪刂?

為了解釋碲化鎘納米二極管高整流比形成的具體物理原因,接下來分析在-1.0,0,+1.0 V偏壓條件下,過渡金屬共摻雜碲化鎘納米二極管的投影態(tài)密度.由于3種器件的投影態(tài)密度分布規(guī)律十分相似,因此僅以銅-鉻共摻雜碲化鎘納米二極管為例進(jìn)行分析.具體的投影態(tài)密度如圖4所示.圖中虛線代表偏壓窗.

圖4 碲化鎘納米二極管的投影態(tài)密度Fig. 4 Projected Density of States of CdTe Nanodiodes

從圖4(a)可知,在-1.0 V偏壓條件下,銅-鉻共摻雜碲化鎘納米二極管偏壓窗內(nèi)電子分布稀少,說明器件電流較弱且處于關(guān)閉狀態(tài).若反向偏壓繼續(xù)增大,則偏壓窗將靠近電子分布密集區(qū)域,電流也會(huì)急劇增大.從圖4(b)可知,在0 V偏壓條件下,銅-鉻共摻雜碲化鎘納米二極管的費(fèi)米能級(jí)從導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂穿過,說明器件具有良好的導(dǎo)電性能.從圖4(c)可知,在+1.0 V偏壓條件下,偏壓窗內(nèi)分布有大量電子,說明器件電子傳輸能力強(qiáng),電流顯著增大,二極管處于導(dǎo)通狀態(tài).

進(jìn)一步分析中心區(qū)域溝道長(zhǎng)度對(duì)銅-鉻共摻雜碲化鎘納米二極管電流-電壓特性產(chǎn)生的影響.不同中心區(qū)域溝道長(zhǎng)度下器件的整流特性如圖5所示.

圖5 銅-鉻共摻雜碲化鎘納米二極管在不同中心區(qū)域溝道長(zhǎng)度下的整流特性Fig. 5 Rectification Characteristics of Cu-Cr Co-Doping CdTe Nanodiodes with Different Channel Lengths in the Central Region

從圖5(a)可知,隨著中心區(qū)域溝道長(zhǎng)度的增加,在[-1.0 V,+0.7 V]偏壓范圍內(nèi)器件的電流基本保持穩(wěn)定,但在[+0.8 V,+1.0 V]偏壓范圍內(nèi)器件的電流隨著偏壓的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì).從圖5(b)可知,在[+0.5 V,+0.7 V]偏壓范圍內(nèi),器件最大整流比和整體整流比隨著中心區(qū)域溝道長(zhǎng)度的增加而增大,因此,改變中心區(qū)域溝道長(zhǎng)度可以有效調(diào)控銅-鉻共摻雜碲化鎘納米二極管的整流性能.

3 結(jié)論

筆者基于密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的第一性原理研究方法分析了銅-鉻、銅-釩和銅-鈦共摻雜碲化鎘納米二極管的整流特性.在[-1.2 V,+1.2 V]偏壓范圍內(nèi),銅-鉻、銅-釩和銅-鈦共摻雜的碲化鎘納米電子器件均呈現(xiàn)良好的二極管伏安特性曲線,0 V偏壓條件下3種器件均呈現(xiàn)出金屬特性,并且在[+0.4 V,+1.0 V]偏壓范圍內(nèi)獲得高達(dá)102以上的整流比.投影態(tài)密度結(jié)果進(jìn)一步印證了在+1.0 V偏壓條件下,銅-鉻共摻雜的碲化鎘二極管具有高整流比.隨著中心區(qū)域溝道長(zhǎng)度的增加,銅-鉻共摻雜碲化鎘納米二極管的電流在+0.9 V偏壓時(shí)有一定程度的降低,但是在[+0.5 V,+0.7 V]偏壓范圍整體整流性能得到了顯著提升.本研究為設(shè)計(jì)碲化鎘納米電子器件提供了理論指導(dǎo)意義,展示了碲化鎘納米材料在電子器件領(lǐng)域美好的應(yīng)用前景.