Электрически легированные наномасштабные устройства с использованием подхода из первых принципов:всесторонний обзор

Введение

Легирование играет решающую роль в определении физических характеристик и областей применения различных органических или неорганических материалов, особенно для полупроводников. Этот метод успешно зарекомендовал себя в области физики полупроводников. Небольшое количество примесей определяет концентрацию примеси и электропроводность материалов. Замечено, что идеальная легирующая добавка должна демонстрировать идеальную растворимость в материале-хозяине, а также иметь низкий уровень дефектов. Однако некоторые основные проблемы связаны с этим типом обычного процесса легирования, например, узкое место легирования, которое сильно влияет на характеристики устройства. Этот тип ухудшения характеристик серьезно наблюдался для материалов с широкой запрещенной зоной.

Например, в случае минимумов устройства с высокой зоной проводимости легирование n-типа является сложной задачей, тогда как для максимумов устройства с низкой валентной зоной также сложно [1, 2]. Поэтому возникают некоторые проблемы при биполярном легировании широкозонных полупроводников. Замечено, что примеси p-типа или n-типа могут быть введены, но не вместе [3]. Поэтому, чтобы компенсировать этот тип проблемы, возможное решение было включено в область легирования. Этот тип предлагаемого подхода известен как электрическое легирование, которое не зависит от этого типа биполярного легирования. Электрическое легирование было введено для решения проблем биполярного легирования. В конце 1980-х и 1990-х годах исследователи заметили, что соединения AIIIBV, такие как монокристалл GaN, трудно выращивать. Более того, для коммерческого использования подложки из GaN также были недоступны в эпоху конца 1990-х годов ». Причина этого объяснялась тем, что разница между постоянными решетки и коэффициентами теплового расширения сапфировой подложки и полупроводника GaN затрудняла выращивание качественного эпитаксиального слоя на основе GaN на сапфировой подложке. С другой стороны, было практически невозможно получить полупроводник GaN p-типа из-за комбинации высокой фоновой концентрации n-типа и низкой легирующей активности p-типа. Эту проблему можно значительно преодолеть, используя явление электрического легирования, созданное Рудазом в 1998 году. В конце 1980-х ученые обнаружили важность выращивания буферных слоев GaN или AlN для демонстрации светодиодов на основе GaN при низких температурах. Процесс термического отжига после роста помогает активировать рост примесей p-типа в буферных слоях GaN. Эти достижения ускорили развитие устройств системы полупроводниковых материалов из нитридов AIIIBV для широкополосных оптоэлектронных устройств [4]. Подложка GaN и процесс термического отжига после роста также играют важную роль в этом методе [5,6,7]. С последних нескольких десятилетий технология плазменного травления играет важную роль в сверхбольших масштабах (ULSI) для уменьшения размера рисунка. Это привело нас к эволюции нанотехнологий. В то же время плазменная технология столкнулась, например, с некоторыми проблемами; накопление заряда, фотонное УФ-излучение наряду с характеристиками травления для наноразмерных устройств. Чтобы устранить эти проблемы и создать практические устройства нанометрового масштаба, в полевых условиях вошел процесс травления нейтральным пучком. С. Самукава представил эти источники нейтрального пучка, а также рассказал о комбинации нисходящей и восходящей обработки для перспективных наноразмерных устройств. Технология нейтральных лучей выполняется без повреждений, поскольку используется атомарно. С помощью этой техники можно также модифицировать поверхность неорганических и органических материалов. Этот метод является достойным претендентом на практическую технологию изготовления будущих наноустройств [8]. Эта технология плазмы высокой плотности включает в себя плазму с индуктивно связанной плазмой (ICP) и плазму с электронным циклотронным резонансом (ECR), которые являются ключевыми методами реализации этой плазменной техники. Но есть несколько проблем, связанных с этой техникой, например

• Различные типы излучения могут повредить накопление заряда положительных ионов и электронов [8,9,10,11,12].

• Излучение ультрафиолетовых (УФ) и вакуумных ультрафиолетовых (ВУФ) лучей также может повредить устройства нанометрового размера.

• Рентгеновские фотоны также могут вызывать разрушение устройств нанометрового размера во время этой проблемы плазменного травления [13,14,15,16,17,18,19,20,21].

• Из-за накопления заряда из-за искажения траекторий ионов генерирования напряжения это также приводит к разрушению тонких оксидных пленок затвора.

• В дополнение к этому, УФ- или ВУФ-фотоны, излучаемые методом плазменного травления высокой плотности, приводят к образованию дефектов кристалла.

Эти проблемы сильно ухудшают электрические свойства наноразмерных устройств. Следовательно, этих проблем можно избежать, используя высокоэффективную систему травления нейтральным пучком. С. Самукава и его группа изобрели высокоэффективный источник нейтрального пучка, чтобы реализовать идеальное травление сверху вниз для будущих наноразмерных устройств. Они представили новейшие процессы травления для будущих наноразмерных устройств от 50 до 10 нм с использованием наших новых источников нейтрального луча.

Поэтому это письмо организовано следующим образом. Во-первых, кратко рассматривается историческая дорожная карта электрического легирования. После этого мы рассмотрим некоторые экспериментальные работы на молекулярном уровне, поскольку этот процесс допирования также влияет на молекулярный уровень. Затем мы кратко обсуждаем различные исследования, связанные с процессом электрического легирования. Некоторые из важности электрического легирования описаны в следующем разделе. Кроме того, мы описываем метод процесса электрического легирования. Наконец, мы закончим кратким обсуждением сравнительного исследования традиционного легирования и электрического легирования.

Историческая дорожная карта электрического допинга

Хотя это исследование в основном сосредоточено на электрическом легировании на молекулярном уровне, важно сначала рассмотреть раннюю историю традиционного легирования. В 1930 году было замечено, что на проводимость полупроводников влияет небольшое количество примесей [2, 22, 23]. В 1931 году первый квантово-механический формализм был использован для полупроводниковых материалов [24]. Прототип p − n-перехода был успешно продемонстрирован Давыдовым в 1938 году [25, 26]. В этой статье объясняется важность неосновных перевозчиков. Вудярд ввел понятие «допинг». Он включил небольшую часть фосфора, мышьяка или сурьмы в чистый германий. Эта примесь увеличивает электрические свойства германия [27]. Шокли предложил свое историческое изобретение, то есть «переходной транзистор», в 1949 году. Это изобретение меняет геометрию полупроводниковой промышленности [28]. Хотя изобретение биполярного перехода произвело цунами в развитии полупроводниковой промышленности, у него возникло несколько проблем, связанных с транзисторами. Например, два слоя p – n должны быть соединены вместе в тонком пространстве. Эта проблема была снята после изобретения в лаборатории Белла в 1950 году «выращенного транзистора с переходом» методом двойного легирования [29, 30]. В случае процесса «двойного легирования» в расплавленный германий n-типа добавлялась щепотка галлия, которая превращала германий в p-тип. После этого в него была добавлена ​​щепотка сурьмы, которая переводила его из p-типа обратно в n-тип [31]. В этом процессе были добавлены два типа легирующих добавок. В начале 1950-х годов появился еще один вид допинга, известный как «совместный допинг». P- и n-переходы считаются «совместным легированием» полупроводника. Легирование на молекулярном уровне также является важной частью электрического легирования. В 1998 году Рудаз предложил метод максимального увеличения эффекта электрического легирования за счет уменьшения растрескивания материала для полупроводников AIIIBV [4]. В 2002 году Чжоу и др. продемонстрировал вакуумный напыленный прозрачный органический светоизлучающий диод, который также является устройством низкого напряжения с использованием процесса электрического легирования. Электрическое легирование играет решающую роль в улучшении характеристик органических устройств. Инжекция электрически легированных носителей имеет место для органических светодиодов (OLED). Транспортные слои демонстрируют низкие управляющие напряжения, что обычно связано с анион-радикалами, катионами и омическими контактами на концах поверхностей раздела электродов. Сверхнизковольтные OLED-светодиоды осаждаются под вакуумом 2,6 В при 100 кд / м ² в p – i – n структуре. Следовательно, собственное излучение зажато между транспортным слоем с широкой запрещенной зоной p- и n-типа. Деятельность, связанная с электрическим легированием органических молекулярных пленок, подчеркивается в нескольких исследованиях [32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42].

Это одна из процедур, позволяющих избежать процесса ионной бомбардировки в подходе к проектированию устройств атомного масштаба. Гао и Кан [43] продемонстрировали этот процесс на молекулярных тонких пленках. Эти соединения, например, поликарбонатный полимер с гексахлорантимонатом трис (4-бромфенил) аминия (TBAHA) 4,4 ', 4 ″ -трис (3-метилфенилфениламино) -трифениламино (m-MTDATA) дырочный транспортный слой p, допированный F4-TCNQ. используются для успешного изготовления различных составных слоев устройств OLED [45, 46]. Этот процесс также использовался в органических фотоэлектрических элементах (OPVC). Этот процесс также использовался для настройки на молекулярном уровне, а также для повышения эффективности устройства путем введения носителя. Молекулярная проводимость пленки в значительной степени увеличивается при легировании n- и p-типа при использовании этого процесса. Этот процесс легирования широко используется для омических контактов на неорганических полупроводниках [43,44,45,46]. В настоящее время органические светодиоды занимают важное место в области молекулярных нанотехнологий. В полупроводниках AIIIBV, используя этот процесс легирования, могут быть сделаны контакты n-типа и введение внешних молекул n-типа. Электрическое легирование также способствует возникновению таких явлений, как электрическое сопротивление, введение носителей, рекомбинация носителей в межмолекулярный промежуточный слой. Органический фотоэлектрический элемент (OPVC) - одно из наиболее актуальных приложений явления электрического допирования. В процессе выравнивания уровней OPVC этот процесс влияет на проводимость этих ячеек. В конечном итоге этот метод увеличивает количество вставленных носителей заряда. В случае метаорганических интерфейсов этот метод начинается и приводит к устройству обедненного слоя, через который может происходить квантовое туннелирование. Это один из эффективных процессов, который можно эффективно использовать для изготовления органических и неорганических контактов. Этот процесс также помогает сдвинуть уровни нейтральности заряда для тонких молекулярных пленок. В дополнение к этому, от 0,1 до 1% посторонних молекул можно включить с помощью этого метода в межмолекулярные границы раздела. Эта величина концентрации легирования является большой величиной для обычного метода легирования. Такой уровень концентрации легирования помогает генерировать вырожденные полупроводники. Эта высокая концентрация легирования помогает предотвратить последующее образование полос, вызванных действием [34, 43,44,45,46].

Процесс электрического допинга и его важность

Основным и передовым методом, выбранным для метода электрического легирования, является контроль уровня Ферми с помощью этого процесса. Поэтому этот метод очень популярен среди неорганических и органических полупроводников в течение последних нескольких десятилетий. Электрический допинг в последние годы привлек особое внимание в области биоинспирированных нанотехнологий. Электрическое легирование - это процесс введения электронного заряда или его принятия в молекулярные пленки. Ключевой особенностью этого процесса является то, что обычное легирование n и p не может быть ограничено для достижения биполярности. Обычный процесс ионизации не применяется для этого типа процесса электрического легирования [43,44,45,46]. Процедура электрического легирования была введена, чтобы избежать ионной бомбардировки, что обычно невозможно для моделирования устройств в нанометровом масштабе.

Этот метод допирования был определен в основном в два этапа:

• Первый шаг связан с переносом одного электрона от донора к акцептору (в молекулы).

• Во-вторых, это связано с методом диссоциации целочисленного комплекса с переносом заряда в основном состоянии.

Таким образом, подтверждается, что электрическое легирование - это не что иное, как сдвиг уровня Ферми либо в сторону самого высокого занятого (валентная зона) молекулярного уровня, либо в сторону самого низкого незанятого (зона проводимости) молекулярного состояния. Если свободный носитель равен ρ , N _A ^- - плотность ионизированной примеси, N _A - концентрация нейтральной примеси, тогда плотность свободных носителей должна быть сформулирована как в формуле. (1). В этом уравнении E _A и E _F - энергии акцептора и уровня Ферми, а K _B постоянная Больцмана при абсолютной температуре T [124].

Этот метод легирования был осуществлен с использованием методов проектирования с двумя зондами в Atomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab (ATK-VNL). Количество биоинспирированных атомистических устройств лежит в основе нанотехнологии. Эти устройства работают на сверхвысокой частоте ТГц. Частота, рассчитанная для этих устройств, составляет около ТГц. Например, в статье проиллюстрированы транспортные характеристики туннельного полупроводникового перехода GaAs-аденин-GaAs. В этой статье сообщается, что рабочая частота составляет около 25 ТГц [125].

Легирование - это преднамеренное введение внешних примесей в чистый полупроводниковый материал по причине улучшенных электрических характеристик. Важность процесса электрического легирования можно описать следующим образом.

Эта процедура электрического легирования отличается от обычного процесса легирования. В случае обычного процесса легирования полупроводниковый материал легируют примесью примесей или примесей. Этот процесс является высокотемпературным. Существует вероятность разрыва связей, который может произойти во время процесса высокотемпературного легирования. Для реализации этого метода легирования также применяется метод ионизации. С другой стороны, процесс электрического легирования никак не связан с примесями. Как и в этой процедуре, на двух концах устройства индуцируются противоположные потенциальные заряды. Следовательно, это вызовет падение потенциала в центральной молекулярной области наноустройства. Этот метод очень полезен для проектирования наноматериалов, поскольку метод ионизации может вызвать структурную деформацию наноматериалов. В случае обычного легирования может возникнуть несколько проблем. Некоторые из основных проблем перечислены в таблице 1. Различие между обычным и электрическим легированием представлено в таблице 1, и это также помогает понять, насколько важно электрическое легирование для изготовления наноразмерных устройств.

В этой таблице 1 показано, почему электрическое легирование важно на молекулярном уровне. Это легирование предотвращает выделение тепла, межатомную или межмолекулярную реакцию, а также совместимо с любым типом процедуры проектирования наноразмерных устройств.

В этой статье в основном освещается процесс электрического легирования. Этот метод легирования полезен для изготовления наноразмерных устройств, в основном для получения тонких молекулярных пленок. В этом методе введение носителей заряда происходит на двух концах молекулярного устройства. Этот процесс также изображен на рис. 1. Эта диаграмма представляет собой простой метод электрического легирования. На этом рисунке также показано, как возникло падение потенциала из-за вставки двух одинаковых, но противоположных носителей заряда на двух выводах электродов. Эти электроды являются важной частью молекулярного устройства. Ввод заряда можно производить через эти электроды. Этот равный и противоположный заряд создает падение потенциала в центральной области молекулы. Это падение потенциала действует как движущая сила проводимости заряда между двумя электродами, то есть через центральную часть молекулы. Это собственно процесс электрического легирования. Хотя этот процесс в настоящее время используется в основном в аналитическом или теоретическом моделировании наноразмерных устройств, он также полезен для получения тонких пленок из органических и неорганических молекул.

Принципиальная схема концептуального процесса электрического легирования

На рисунке 1 показано, как электрон или носитель заряда перетекают от одного электрода к другому из-за падения потенциала, вызванного изменением смещения на двух выводах электродов.

Электрический допинг на молекулярном уровне

В последнее время исследователей заинтересовала процедура контролируемого допинга. Следовательно, эта процедура электрического легирования помогает ввести контролируемое легирование неорганических полупроводников. Таким образом, также полезно настроить электрические свойства этих полупроводников путем введения электрического легирования. Это явление легирования помогает регулировать оптическую щель полупроводников в зависимости от их химического состава. Эта процедура легирования также является недорогой и полезной для гибких подложек.

Процедура электрического легирования - это метод, с помощью которого создается разность потенциалов между двумя концами наноустройства. В этой теоретической работе [47,48,49,50,51,52] мы организовали это, обеспечив разную полярность, но одинаковое значение напряжения на двух концах наноустройства через электроды с двумя зондами. Принципиальная схема этого теоретического процесса показана на рис. 2.

Принципиальная схема концептуального процесса электрического легирования (с использованием ATK-VNL)

Этот теоретический подход используется для создания высоколегированных положительных (p +) и отрицательных (n +) областей, которые важны для разработки нанополупроводниковых устройств как для органических, так и для неорганических материалов.

Используя эту процедуру, необходимо ввести носители заряда в межмолекулярные границы раздела фаз. Электрическое легирование - это контролируемый процесс для органических молекул, а не для тонких неорганических пленок. Следовательно, обычные примеси p и n не являются обязательными для введения. В конце концов, электрическое легирование увеличивает инжекцию носителей и снижает напряжение возбуждения, что приводит к повышению эффективности устройства. Таким образом, метод электрического легирования зависит исключительно от передачи или приема электронов молекуле-хозяину.

Цепь гетероперехода состоит из биомолекул аденина и тимина, используемых для восприятия нескольких газов, когда цепь проходит через нанопоры нанолиста GaAs [47]. В этом случае электрическое легирование также индуцируется на двух частях этого нанолиста. Благодаря эффективной индуктивности эта биомолекулярная цепь проявляет способность ощущать адсорбированные молекулы чужеродного газа [47]. В случае конструкции наноустройств также рассматривается адсорбция молекул. Например, исследуется адсорбция летучих молекул при температуре 32 ° C на нанопроволоке ZnO [53]. Используя первопринципный подход, основанный на формализмах DFT и NEGF, нано-полевые транзисторы могут быть разработаны с использованием различных структурных модификаций. Также наблюдаются различные свойства этих нано-полевых транзисторов, например, оценка масштабируемости, наивысшая занятая молекулярная орбиталь – самая низкая незанятая молекулярная орбиталь (ВЗМО – НСМО), максимально достижимый ток, ВЧ характеристики, исследование линейности [54,55,56, 57,58,59,60,61]. Молекулярный диод на основе сопряженных соолигомеров может быть разработан с использованием формализмов на основе DFT и NEGF. Соолигомеры соединены двумя электродами и образуют молекулярный диод. Для этого диода проанализированы энергетическая щель, вольт-амперные характеристики, пространственная ориентация [62]. Первопринципный подход применяется к геометрически оптимизированным наноструктурам семи различных соединений, которые получены из углеродных нанотрубок (УНТ) с использованием различных линкеров [63]. Различные типы диодов могут быть реализованы с использованием первого принципа, основанного на формулах DFT и NEGF. Например, диод Шоттки, одиночный молекулярный диод, диод спинового тока, биполярный спиновый диод, диблочный молекулярный диод, характеристики обратного диода, таким образом, реализуются с использованием этого подхода [64,65,66,67,68].

Исследования на молекулярном уровне, основанные на электрическом допинге

Электрическое легирование на молекулярном уровне играет важную роль в наноэлектронике. Исследователи очень заинтересованы во внедрении этой процедуры легирования в процедуру проектирования наноразмерных устройств. Эффект этого допирования помогает взаимодействовать между различными молекулярными уровнями выравнивания. Этот процесс не только полезен для изучения молекулярного уровня органических гетеропереходов, но также приемлем для неорганических материалов. Это легирование способствует образованию границы раздела с помощью диполя и эквивалентного перемещения в сравнительном положении границы раздела молекул. Таким образом, этот процесс электрического легирования приемлем для выравнивания границ раздела молекул.

Миниатюризация обычных электронных устройств в настоящее время является наиболее перспективным направлением исследований. Есть несколько подходов, которые побуждают исследователей исследовать и изучать природу наноразмерных устройств. Один из наиболее важных подходов - проектирование и моделирование аналитических наноструктур. Многие важные устройства могут быть спроектированы с использованием этой процедуры моделирования и анализа полученных результатов [47, 55, 56]. В соответствии с результатом исследователи могут изменять различные параметры моделирования, а также различные аспекты аналитической модели в наномасштабе. Среди этих методов моделирования первопринципный подход является наиболее эффективным и популярным процессом. Модернизация электронных устройств побуждает исследователей вводить новшества в обычные устройства в модифицированной версии. Например, традиционные полупроводниковые устройства могут быть сконструированы с использованием биомолекул. В случае биомолекул, как правило, рассматривались азотистые основания, такие как аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые известны как основные строительные блоки ДНК [47, 55]. В области нанотехнологий очень распространено создание обычных неорганических полупроводниковых устройств. Однако сложно сконструировать органические электронные устройства, в которых используются только биомолекулы. Эти полупроводники характеризуются в зависимости от легирующих свойств. Если полупроводник не имеет примесного легирования, он называется собственным или чистым полупроводником. С другой стороны, если полупроводник легирован инородными атомами или молекулами, тогда он известен как примесный или нечистый полупроводник [55,56,57,58,59,60].

В настоящее время создание наноразмерных устройств является сложной задачей для исследователей. Диод, транзистор, логические вентили уже реализованы на молекулярном уровне. У исследователей есть еще одна возможность реализовать нанобиополупроводниковые устройства на молекулярном уровне. Некоторые из этих биомолекулярных устройств уже внедрены в биомедицину. Теоретическая конструкция этих наноустройств была реализована с использованием программного обеспечения Quantumwise на базе набора инструментов Atomistix-Tool Kit и виртуальной нано-лаборатории (ATK-VNL) версии 13.8.0 [69,70,71,72,73,74,75,76] . Даже логика квантовых клеточных автоматов (QCA) может быть теоретически реализована с использованием первопринципного подхода, основанного на DFT и NEGF [77]. Можно разработать различные логические элементы с использованием биомолекул, и результаты, полученные из этих теоретических выводов, также были подтверждены с помощью Multi-Sim, SPICE или других симуляторов [70]. Процесс электрического легирования - ключевая особенность, которая вводится для получения оптимального тока. На туннельный ток через молекулярный канал влияют различные факторы, такие как эффект обратного рассеяния и т. Д. Реализуя этот процесс легирования, мы можем избежать проблем, связанных с обычным процессом легирования. Комбинированная дипольная модель для настройки барьера Шоттки также предлагается на границе металл – полупроводник на молекулярном уровне [78]. Первопринципный подход также применим для магнитных туннельных переходов, и их квантово-электронные свойства были проанализированы [79]. Для расчета тока утечки через SiO ₂ и SiO _x N _y На основе MOSFET исследователи использовали первопринципный подход, основанный на DFT и NEGF [80]. Это ab-initio моделирование применяется для моделирования настройки высоты барьера Шоттки с использованием межатомного интерфейса силицидов иттрия и никеля [81]. Прямое межзонное туннелирование в наноленте p − n-перехода MOS2 с обратным смещением можно описать с помощью DFT и NEGF [82]. Эффект включения атомов легирующей примеси противоположной полярности в нанопроволоку проявляет электрические свойства, подобные стабилитрону [83]. Эффект двухспиновой фильтрации можно увидеть в полуметаллическом нитрите иттрия YN ₂ [84]. Исследование гетероструктуры биомолекулярного полевого транзистора можно наблюдать с помощью этого метода электрического легирования. Квантовый баллистический перенос можно наблюдать с помощью этого явления электрического легирования на молекулярном уровне [85]. Используя этот теоретический подход, разработан электрически легированный биомолекулярный переключатель при использовании одностенных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) в качестве электродов [86]. Формализмы NEGF помогают создать антидочечный туннельный диод на основе графена [87]. Атомистические характеристики двумерных кремниевых p − n-переходов были продемонстрированы с использованием первопринципного подхода [88]. Диод и транзисторы являются основными строительными блоками любой электронной схемы. Логические вентили также могут быть реализованы с использованием диодов и транзисторов. Следовательно, любая логика может быть реализована с использованием первопринципных формализмов.

В последнее время в области нанотехнологий исследователи заинтересовались разработкой и характеристикой различных электромеханических характеристик биоинспирированных и полупроводниковых устройств в атомном масштабе. Эти биоинспирированные устройства обладают высокой степенью биосовместимости и создают мост между областью полупроводников и ареной бимолекулярных исследований. Технология CMOS уже насыщена. Поэтому цель исследователей - заменить их и создать мост между ними. Исследователи уже выдвинули несколько предложений по объединению КМОП-технологии с биоинспирированными технологиями, такими как ДНК или любые другие биомолекулы. Важными частями ДНК являются азотистые основания аденина, тимина, цитозина и гуанина. Эти азотистые основания образовали композиты с рибозным сахаром и фосфатными группами с образованием олигонуклеотида. Этот олигонуклеотид имеет фосфатные группы в качестве основы. Корреляции для динамических сигналов были усилены для идентификации биомолекул и ДНК [89]. Транслокация ДНК, электронная передача и полуэмпирическое моделирование через нанопоры графена также могут быть теоретически возможны с использованием DFT и NEGF [90,91,92,93]. Анализ ДНК также можно сделать с помощью графеновых электродов с помощью полуэмпирического моделирования [94]. Также стало возможным распознавание пар оснований нуклеиновых кислот с использованием свойств поперечного транспорта [95]. Проведение через ДНК выстрела также было предложено группой исследователей [96]. Электронное усиление путем допирования пар оснований ДНК также было включено для увеличения проводимости [97]. Электронное продвижение стало возможным благодаря процессу двойного протонного переноса [98]. Распознавание нуклеотидов методом кросс-туннелирования также стало возможным с использованием первопринципного подхода [99]. Структурные факторы контролируют проводимость ДНК, и это также обсуждалось в [100]. Устройства в нанометровом масштабе демонстрируют огромное явление квантового переноса для различных типов моделирования устройств в нанометровом масштабе [56, 58, 59, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107]. Эти устройства включают полевые транзисторы, диоды и оптические переключатели [60, 68, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116]. Предлагаемая работа является одним из подходов к созданию моста между биомолекулами с полупроводниковой технологией III – V. Гетероструктура биомолекул и нанокристаллических материалов AIIIBV также может быть сконструирована с использованием теоретического подхода из первых принципов. Кроме того, электрические и оптические свойства графена, легированного азотом и золотом, исследуются с использованием первопринципных формализмов. Первопринципный формализм используется для обнаружения изменения квантово-механических характеристик и исследования различных электронных или оптических свойств как органических, так и неорганических молекул. Исследование также может быть выполнено для графена с дефектными вакансиями и графена, легированного марганцем, в направлении H ₂ Поглощение S. Исследование ферромагнетизма с использованием первопринципного подхода для монослоя AlN, легированного переходными металлами, также является новым направлением. Эффект легирования исследован для монослоя MoS ₂ . использование DFT для видимого света - важная тема для обсуждения. A study of change of electronic properties was demonstrated for Eu-doped phosphorene based on the first-principle approach. Electromechanical quantum transport features are available for these devices [117,118,119,120,121].

In the year of 1987, Destefanis proposed the electrical doping of HgCdTe using ion implantation and heat treatment method. To increase a large number of pixels into the focal plane array devices, infrared photovoltaic detectors were required. The use of ion implanting HgCdTe was increasing this interest of manufacturers. In this type of manufacturing of photovoltaic infrared detectors, the electrical doping process was introduced. It was revealed that the effect of electrical doping into HgCdTe appeared significantly as the intrinsic properties of diodes were directly related to it [122]. Electrical was also proposed for enhancement of plasmonic absorption on Au-PbS core–shell nanocrystals. This method of doping was implemented using the intra-particle charge transfer method. In this experiment, colloidal nanocrystals were used to be the basic building blocks for solar cells, photo-detectors, etc. In this approach, researchers investigated the electronic properties of colloidal nanocrystalline materials and they also proposed a novel approach to electrical doping to these nanocrystalline solids using intra-particle charge transfer method [123]. The process flow for this simulation work is shown in Fig. 3.

Working flowchart diagram of Quantumwise ATK-VNL [76]

Simulation Methods of Electrical Doping

The analytical design of these molecular devices requires constant innovation and improvement in the field of material science. Density functional theory (DFT) and non-equilibrium Green’s function (NEGF) are the two key formalisms behind the analytics for the modeling of these nanoscale devices. The first-principle approach combines these two formalisms to describe theoretically these types of nanodimension devices. Extended Hückel theory (EHT) is another key factor to accelerate the design procedure of these atomistic devices [126, 127]. These theoretical modeling procedures help to prevent various problems regarding the nanoscale design like hazards during doping of foreign particles, generation of THz operating frequency, etc. Another aim of this nanoscale design procedure is to operate the device by keeping the electronic temperature at 300 K, i.e., room temperature. III–V semiconductors are optically sound semiconductor material that can be used for the design of various electronic devices. After silicon technology, III–V semiconductor technology is one of the emerging and most desirable areas to be fit in the nanoscale semiconductor technology. Biomolecules (like adenine, thymine, guanine and cytosine) have been introduced to form different nanoscale electronic devices. These biomolecules also exhibit their optical exposure whenever they are simulated at near-UV region (mid-UV-B). In this proposed work the electronic characterization has been made for the simulated nanoscale devices using the first-principle approach. This semiempirical modeling is carried out using EHT for obtaining faster simulation. We aim to design and characterize the III–V materials along with biomolecules using DFT- and NEGF-based first-principle formalisms. This semiempirical design of this bioinspired nanodevices has been carried out using the Quantumwise software simulation package.

To include electrical doping into the molecular devices, the same but opposite charge is to be provided to the two ends of the molecular interface. The electrical doping concentration is calculated using the following procedure:

Let us assume the electrodes are about 1 nm long and with 0.5 nm × 0.5 nm cross-sectional area. For simplification of calculation, we have taken those values. In the script editor, we have located the section for the electrodes calculator and assigned the charge =  + 0.01 and − 0.01. For this theoretical study, the Atomistic Tool Kit-Virtual Nano-laboratory (ATK-VNL) software package has been used. This software uses density functional theory (DFT) and non-equilibrium Green’s function (NEGF)-based first-principle approach. This value is being calculated using the following formula:

• Effective doping concentration = doping/volume [1, 70, 71]

• Assume, doping charge =  ± x V

• Assume that, volume = length (a ) × width (b ) × height (c ) = a  × b  × c

• Volume = (a  × 10 ^–7 ) × (b  × 10 ^–7 ) × (c  × 10 ^–7 ) cm ⁻³  = abc  × 10 ^–21 / см ³

• Effective doping = \(\frac{x}{{abc \times 10^{ - 21} }}\) = abc  × 10 ²¹ / см ³ [as we have consider the dimension in nm unit]

The volumes of the electrodes remain constant so from Fig. 4, it can be observed that the doping concentration is directly proportional to the applied bias voltage. This is another reason that we have kept constant the electrode’s size. The little change in electrodes’ size leads to a large change in electrical doping concentration. So by changing the little amount of bias voltage we can be able to generate very high electrical doping into the system using the first-principle approach.

Dependence of effective electrical doping on an applied bias voltage

The electrical doping in this case totally depends on two parameters mainly. They are (1) effective doping charge (charge applied at the two ends of the electrodes) and (2) volume of the nanoscale device. Therefore, the formula of calculating electrical doping is mentioned as doping/volume, so if the length, height or breadth or anyone of the parameter is changed, then the doping concentration is definitely changed. For this type of device structure, volume is a function of length, height, width [70].

Both the temperature and thickness affect the performance of these nanoscale devices. Self-heating effect along with thermal noise generated heat also makes changes in quantum-ballistic transport phenomenon of these devices at this low dimension. Therefore, temperature plays an important role in the device performance. On the other hand, as thickness is related to the volume of the device and effective doping is directly related to volume, thickness also affects device performance. If thickness is changed, then accordingly volume changes which result in changes of doping concentration. Doping concentration is related directly to device performance like channel conductivity, current–voltage characteristics, etc., for these nanoscale devices. Therefore, doping is changed due to thickness changed that will definitely change device performance [70].

Evolution of Electrical Doping

Doping means the addition of explicit impurity atoms to the semiconductor. Doping is the intentional addition of atoms to the intrinsic semiconductor to modulate the electrical properties of intrinsic semiconductors. The electrodes sizes are inserted within the script editor, where we assigned the length of the electrode as 1 nm and cross section 0.5 nm × 0.5 nm. Thus, the nominal charge, i.e., ± 0.01, is set for the two electrodes. This script is processed through the job manager, and the calculated doping value for the electrodes is obtained. For this calculation we pursue the following steps:

• Open the New Calculator and select “ATK-SE:Extended Hückel (Device).”

• Uncheck “No SCF iteration.”

• Keep mesh cutoff to 10 Hartree.

• Under “Poisson Solver” set the “Neumann” boundary conditions along A(X) and B(Y) directions.

Figure 5 shows the consolidated form of the comparative study between electrical doping and conventional doping process (using Fe and Ni). This analytical experiment is observed for the thymine nanotube structure which is an example of electrical doping [70]. Fe and Ni atoms are chosen to dope the thymine nanotube, and on the other hand, the molecule is electrically doped [70]. All these results show that amount of electrical doping is much more when compared with conventional doping for little amount of applied bias. Some example works of electrical doping along with its some advantages over conventional doping are discussed in Table 2. It gives a comparative study of electrically doped devices with the existing device modeling which follows the conventional doping method. There are several types of doping, and dopants are available, for example, conventional doping (by adding impurity), electrical doping, co-doping. Generally, two types of dopants are available for conventional doping process, p-type dopants and n-type dopants. They are often called as acceptor and donor impurity atoms. These external impurities are added to the semiconducting materials to enhance their electrical properties mainly conductivity. In the case of the electrical doping process, mainly for analytical modeling using the ATK-VNL approach, we do not proceed with the addition of foreign atoms. Instead of these explicit atom doping, we focus on the change of potential difference at the two ends of the device (mainly at the ends of electrodes). The doping of a semiconductor along with another substance is known as co-doping. For example, when Co and N both are added to MoO₂ nanowires, it will increase the electronic performance of this nanowire [128,129,130]. Various properties like electronic, optical and morphological characteristics of p-doped polyfuran (PF) molecular thin films were investigated by the researchers using a wide range of doping ratios using the electrical doping method. When the doping concentration is ≤ 2%, then it increased the short-circuit current of this PF-based photovoltaic device significantly [44].

Comparative diagram at various electrical dopings along with conventional Fe- and Ni-doping

If we take a close look at the doping concentration from Fig. 6, we can observe that before the year 2000, doping concentration was high, but after that, it becomes lower. Therefore, it can be emphasized that though the device performance has been enhanced, doping concentration is reducing very fast [124, 128, 134,135,136].

Doping concentration year-wise graph

The optical and electrical doping process was also introduced into the silicon with holmium in the year 1999. Intermolecular hybridization state is also governed by the electrical doping process. It was established that for organic semiconductors, molecular electrical doping was found to be at odds when other methods were proved in this field, for example, the formation of polaron. Therefore, the main objective of this study is to propose a polaron-derived state with decreased ionization energy using ultraviolet photoelectrospectroscopy [134]. The electrical doping profile in ferroelectric film capacitors was investigated by the group of researchers using capacitance–voltage measurement. In this experimental study, profiling effect of electrical doping concentration in ferroelectrics was investigated using the following effects of

• A field and spatially dependent permittivity.

• Domain switching analysis of Schottky profiling [135].

From Fig. 7, we can observe the operating temperature for this type of doping-dependent device operation. Though the graph is a little bit complex, it does not obey any specified rule. Therefore, we can conclude it like that temperature requirement is solely depending on the type of materials that are used for this operation.

Temperature for doping

A new model was proposed for the dissociation of carbon atoms at the copper/silica molecular thin layer interface using catalytically hydrogenated graphene meshes using a semipermanent electrical doping method. This process enables stable electronic doping through C–N bonds. Furthermore, the effect of trap states on the electrical doping for organic semiconductors was also investigated. The direct charge transfer process from the trap state of the host molecules to the dopant molecules raised the electrical effect for organic semiconductors. This type of doping process enhances conductivity. Therefore, trap density and energy are also analyzed using impedance spectroscopy [136].

It is observed clearly from Fig. 8 that the thickness of the wafer layers is reducing year wise. The more the time increasing, the layer thickness reduces, and the performance of the device increases.

The thickness of the wafer

Electrically doped and undoped poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) (PFO) along with tetrafluorotetracyanoquinodimethane films were composed using photoelectron spectroscopy method and also investigated their current–voltage characteristics. Thus, it can be observed that the depletion region was created for the PFO interface. Therefore, the current was increased subsequently [137, 138]. For high-temperature gas sensors, this method of doping plays an important role. The conductivity and gas sensitivity of Ga₂ О ₃ thin films was investigated. It was observed that this doping concentration influenced the surface sensitivity [138].

From Fig. 9, it is observed that the cutoff wavelength of the devices reduces sharply within a few decades. Hence, device performance enhanced significantly. Table 3 gives a close look at different characteristics of the devices which follow either electrical doping or conventional doping procedure.

The wavelength of the devices reduces

In this survey, we have reviewed the works which were already established using the electrical doping process. In our works, we used the electrical doping process using the Quantumwise software simulation package in the ATK-VNL atmosphere. The version of this software is 13.8.0. This software simulation is based on first-principle formalisms which is again strongly supported by DFT and NEGF formalisms. Quantumwise is a compact set of atomic-scale modeling tools. These tools were developed in the year of 2003 by some software professionals along with academicians. These ATK-VNL simulations engines help us to calculate the electronic structure as well as to formulate intercorrelations of atomic orbitals. This platform helps us to introduce electrical doping into the molecular level.

Заключение

This report illustrates briefly a comparison between conventional doping and electrical doping process. Though the electrical doping process is not so newer process, the implementation of this process with the help of DFT- and NEGF-based first-principle approach gives a new twist to this phenomenon. Therefore, electrical doping is to be implemented in many molecular modeling approaches to bring a new era in nanoelectronics. This study takes a close look at the electrical doping phenomenon such as why it is important, how it works for the molecular modeling approach, calculation of electrical doping concentration, etc. Hence, we provide a comparative study between electrical doping and conventional doping process for acepromazine molecule. To conclude it is emphasized that in future this is one of the approaches which will prove itself in the field of nanodevice modeling.

Доступность данных и материалов

All the data and material are available in the manuscript.

Сокращения

DFT:

Функциональная теория плотности

NEGF:

Non-equilibrium Greens’ function

OPVC:

Organic photovoltaic cell

ATK-VNL:

Atomistix Tool Kit-Virtual Nano-Laboratory

HOMO–LUMO:

Highest occupied molecular orbital–lowest unoccupied molecular orbital

CNT:

Углеродные нанотрубки

I–V:

Current–voltage

QCA:

Quantum cellular automata

YN₂ :

Yttrium nitrite

ATK-SE:

Atomistix Tool Kit-Semi-empirical