金屬摻雜對碲化鎘納米器件整流特性的影響*

楊金彪,廖文虎,,鮑海瑞

(1.吉首大學通信與電子工程學院,湖南 吉首 416000;2.吉首大學 物理與機電工程學院,湖南 吉首 416000)

電子晶體管作為20世紀最偉大的發明之一,在人類社會的發展過程中起到了不可或缺的重要作用.根據摩爾定律預測,集成電路中的晶體管數量每2年便會增加1倍,因此,探尋納米尺度的電子器件是后摩爾定律時代的必然選擇.二極管是現代電子產品的關鍵組成部分,主要由P型半導體和N型半導體燒結的PN結構成[1-2].此外,半導體和金屬接觸構建的肖特基二極管也因其獨特的性能在微電子領域得到了廣泛應用[3].近年來,學者利用第一性原理研究方法,探索了碳化硅PN結二極管的整流特性[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構[6]和纖鋅礦結構[7]的II-VI族半導體材料,有獨特的物理特性,因而被廣泛應用于制作電子學和光電子學器件[8-13].對于現代半導體工藝而言,摻雜是一種非常重要的調控手段,在半導體材料中摻雜少量雜質原子,不僅可以提高半導體的電子輸運性能[14],還可以拓寬半導體的應用領域[15-16].Alzaid等[17]研究了銅摻雜碲化鎘納米薄膜的微觀結構和電學特性,結果顯示,銅摻雜碲化鎘納米結構呈現出P型導電行為,且電導率隨著銅摻雜濃度的增大而增強.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道,主要集中在電學、光學和磁性等方面,但在納米尺度電子器件的原理與設計方面,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相結合的方法,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構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.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,中心散射區由銅-鉻、銅-釩和銅-鈦原子共摻雜的碲化鎘組成.該器件默認設置電極摻雜鉻、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極,外加電場的電流方向見圖1中虛線箭頭.該器件模型通過Device Studio搭建完成,其結構優化通過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聯勢LDA-DZP,費米溫度設為100 K,能量截斷半徑取80 Hartree.器件的周期方向為X和Y方向,電子輸運方向為Z方向.左電極、右電極和中心散射區的自洽K點取樣分別為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;μL表示左電極的化學勢;μR表示右電極的化學勢;fL表示左電極的費米狄拉克分布函數;fR表示右電極的費米狄拉克分布函數.

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

2 結果

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,器件的電流-電壓特性曲線均呈現良好的二極管伏安特性,說明3種器件可應用于整流電路中.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,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,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-電壓特性如圖2(b)所示.從圖2(b)可知,器件電導-電壓曲線呈現出與伏安特性類似的變化規律,在[0 V,+0.6 V]偏壓范圍內,銅-鈦共摻雜的碲化鎘納米二極管的導電性最強,在[+0.6 V,+1.2 V]偏壓范圍內,銅-鉻共摻雜的碲化鎘納米二極管導電性最強.3種器件在0 V偏壓條件下均呈現出金屬特性,說明3種器件均具有良好的導電性能.

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,銅-鉻、銅-釩和銅-鈦共摻雜的碲化鎘納米二極管對數坐標整流比均有良好的整流特性且整體整流比均達102以上,說明正常工作狀態下3種器件能夠實現良好的正向導通和反向截止.

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密度.由于3種器件的投影態密度分布規律十分相似,因此僅以銅-鉻共摻雜碲化鎘納米二極管為例進行分析.具體的投影態密度如圖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電子分布稀少,說明器件電流較弱且處于關閉狀態.若反向偏壓繼續增大,則偏壓窗將靠近電子分布密集區域,電流也會急劇增大.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米能級從導帶底和價帶頂穿過,說明器件具有良好的導電性能.從圖4(c)可知,在+1.0 V偏壓條件下,偏壓窗內分布有大量電子,說明器件電子傳輸能力強,電流顯著增大,二極管處于導通狀態.

進一步分析中心區域溝道長度對銅-鉻共摻雜碲化鎘納米二極管電流-電壓特性產生的影響.不同中心區域溝道長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域溝道長度下的整流特性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,隨著中心區域溝道長度的增加,在[-1.0 V,+0.7 V]偏壓范圍內器件的電流基本保持穩定,但在[+0.8 V,+1.0 V]偏壓范圍內器件的電流隨著偏壓的增大呈現出先減小后增大的趨勢.從圖5(b)可知,在[+0.5 V,+0.7 V]偏壓范圍內,器件最大整流比和整體整流比隨著中心區域溝道長度的增加而增大,因此,改變中心區域溝道長度可以有效調控銅-鉻共摻雜碲化鎘納米二極管的整流性能.

3 結論

筆者基于密度泛函理論與非平衡格林函數相結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,銅-鉻、銅-釩和銅-鈦共摻雜的碲化鎘納米電子器件均呈現良好的二極管伏安特性曲線,0 V偏壓條件下3種器件均呈現出金屬特性,并且在[+0.4 V,+1.0 V]偏壓范圍內獲得高達102以上的整流比.投影態密度結果進一步印證了在+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.隨著中心區域溝道長度的增加,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.本研究為設計碲化鎘納米電子器件提供了理論指導意義,展示了碲化鎘納米材料在電子器件領域美好的應用前景.