Обзор из первых принципов электрически легированных наномасштабных устройств

Аннотация

Легирование — ключевой элемент fabricación полупроводниковых устройств. За последние десятилетия открыто множество стратегий управления легированием в физике полупроводников. Электрическое легирование — перспективная стратегия для эффективной настройки зарядовых носителей, электронных и транспортных свойств. Этот процесс снижает риски высоких температур и загрязнения чужеродными частицами. Значительные экспериментальные и теоретические усилия посвящены изучению характеристик электрического легирования. В статье кратко обзор исторической дорожной карты электрического легирования, обсуждается электрическое легирование на молекулярном уровне, рассматриваются экспериментальные работы на молекулярном уровне и различные исследования на базе электрического легирования. Определена важность электрического легирования, описаны методы, и проведено сравнительное исследование с традиционным легированием.

Введение

Легирование играет решающую роль в определении физических характеристик и применения органических и неорганических материалов, особенно полупроводников. Небольшое добавление примесей определяет концентрацию легирующих веществ и электрическую проводимость. Идеальный легирующий агент должен проявлять идеальную растворимость в 주인 материале и низкий уровень дефектов. Однако у традиционного легирования есть проблемы: «бутылочное горлышко» легирования, сильно влияющее на производительность устройств, особенно для широкополосных материалов. Например, n-тип легирование сложно для минимума высокой зоны проводимости, p-тип — для максимума низкой валентной зоны. Проблемы биполярного легирования в широкополосных полупроводниках: можно ввести либо p-, либо n-тип, но не оба одновременно. Электрическое легирование введено для решения проблем биполярного легирования. В конце 1980-х исследователи заметили, что III-V соединения вроде GaN трудно выращивать; коммерческие GaN подложки были недоступны. Разница решетчных констант и коэффициентов термического расширения сапфировой подложки и GaN затрудняла рост высококачественных эпитаксиальных слоев. Получение p-типа GaN было почти невозможно из-за высокой фоновой n-типа концентрации и низкой активности p-легирования. Эта проблема была значительно преодолена электрическим легированием Рюдаза в 1998 г. В конце 1980-х открыто значение роста буферных слоев GaN/AlN для GaN-светодиодов при низких температурах. Послеростовой термический отжиг активировал p-легирование в буферных слоях GaN. Эти достижения ускорили развитие III-V нитридных систем для широкополосных оптоэлектронных устройств. GaN подложки и пост-ростовой отжиг также важны. С последних десятилетий плазменная травка играет важную роль в ULSI для уменьшения размера структур, приведя к эволюции нанотехнологий. Плазменная технология столкнулась с проблемами: накопление заряда, фотонное УФ-излучение, травля на наномасштабе. Для устранения проблем и создания практичных наноустройств введена нейтрально-лучевая травка. С. Самукава представил нейтральные лучевые источники и комбинацию top-down и bottom-up подходов. Нейтральные лучи обеспечивают безущербную травку за счет атомарного воздействия. Позволяет модификацию поверхностей неорганических и органических материалов. Является capaz кандидатом для практической фabрикации будущих наноустройств. Высокоплотная плазменная технология включает ICP и ECR плазму. Проблемы: излучение различных типов может повреждать накопление заряда положительных ионов и электронов; УФ, ВУФ излучение повреждает наноустройства; рентгеновские фотоны могут вызывать разрыв наноустройств; накопление заряда из-за генерации напряжения искажает ионные траектории, приводит к пробою тонких гейтовых оксидов; УФ/ВУФ фотоны от высокоплотной плазмы генерируют кристаллические дефекты. Эти проблемы сильно деградируют электрические свойства наноустройств. Их можно избежать высокопроизводительной системой нейтрально-лучевой травки. Самукава и группа изобрели высокоэффективный нейтрально-лучевой источник для реализации ultimate top-down травки будущих наноустройств. Ввели ultimate процессы травки от 50 нм до sub-10 нм с новыми нейтральными лучевыми источниками.

Структура статьи: историческая дорожная карта электрического легирования, экспериментальные работы на молекулярном уровне, обсуждение исследовательских работ, важность электрического легирования, методы, сравнительное исследование с традиционным легированием.

Историческая дорожная карта электрического легирования

Хотя фокус на молекулярном уровне, важно рассмотреть раннюю историю традиционного легирования. 1930 г.: замечено влияние малых количеств примесей на проводимость полупроводников. 1931 г.: первая квантово-механическая формализация для полупроводников. 1938 г.: Давыдов успешно продемонстрировал прототип p-n перехода, объяснил важность меньшинских носителей. Вудьярд ввел концепцию «легирования», добавив фосфор, мышьяк или сурьму в чистый германий, повысив электрические свойства. Шокли в 1949 г. предложил «биполярный транзистор», изменив геометрию полупроводниковой промышленности. Изобретение биполярного перехода вызвало цунами эволюции, но имело проблемы: два p-n слоя должны соединяться спина к спине в тонком пространстве. Проблема решена изобретением «выращенного переходного транзистора» в Bell Labs 1950 г. методом двойного легирования. При двойном легировании в расплавленный n-германий добавляли галлий (переход в p-тип), затем сурьму (обратно в n-тип). Два типа легирующих веществ добавлялись спина к спине. В начале 1950-х возник «ко-легирование» — p и n переходы как ко-легирование полупроводника. Легирование на молекулярном уровне также важно для электрического легирования. 1998 г.: Рюдаз предложил метод максимизации эффекта электрического легирования за счет уменьшения трещин в III-V полупроводниках. 2002 г.: Чжоу и др. продемонстрировали вакуумно-депонированный прозрачный OLED низкого напряжения с электрическим легированием. Электрическое легирование критично для производительности органических устройств. Электрически легированная инъекция носителей в OLED. Транспортные слои показывают низкие управляющие напряжения благодаря радикальным анионам, катионам и омическим контактам на электродных интерфейсах. Ультра-низковольтные OLED (2,6 В для 100 кд/м²) в p-i-n структуре с интринсик эмиссией между p- и n-типами широкополосных транспортных слоев. Активности электрического легирования в органических молекулярных пленках подчеркнуты в ряде исследований.

Это процедура избегания ионного бомбардирования в атомарном масштабе проектирования устройств. Гао и Кахн продемонстрировали процесс на молекулярных тонких пленках. Соединения вроде поликарбонатного полимера с TBAHA, m-MTDATA дыроно-транспортный слой p-легированный F4-TCNQ успешно использовали для фабрикации OLED. Процесс применялся в органических фотоэлектрических ячейках (OPVC), для настройки на молекулярном уровне и повышения эффективности через инъекцию носителей. Проводимость молекулярных пленок сильно возрастает при n- и p-легировании. Широко используется для омических контактов на неорганических полупроводниках. Сейчас органические LED занимают эффективное место в молекулярной нанотехнологии. В III-V полупроводниках электрическое легирование позволяет n-контакты и введение внешних n-молекул. Помогает реализовать явления электрического сопротивления, инъекции и рекомбинации носителей в молекулярном интерфейсном слое. OPVC — одно из самых релевантных применений. В процессе выравнивания уровней для OPVC процесс действует на проводимость ячеек. Инъекция зарядовых носителей увеличивается. Для мета-органических интерфейсов метод начинает и приводит к формированию обедненного слоя, через который может происходить квантовое туннелирование. Эффективный процесс для органических и неорганических контактов. Также смещает уровни зарядной нейтральности для молекулярных тонких пленок. Кроме того, ~0,1–1% чужеродных молекул можно включить в молекулярные интерфейсы — большая концентрация для традиционного легирования, помогающая генерировать вырожденные полупроводники и предотвращать формирование легированных зон.

Процесс электрического легирования и его важность

Главная техника электрического легирования — управление уровнем Ферми. Поэтому метод популярен в неорганических и органических полупроводниках последних десятилетий. В последние годы привлекает внимание в биоинспирированной нанотехнологии. Электрическое легирование — процесс электронной зарядной инъекции или принятия в молекулярные пленки. Ключевая особенность: традиционные n и p легирования не могут быть ограничены для достижения биполярности. Традиционный ионизационный процесс не применяется. Процедура введена для избежания ионного бомбардирования, невозможного для наномасштабного моделирования.

Метод определяется в два шага: (1) единичный электронный перенос от донора к акцептору (в молекулы); (2) диссоциация комплекса зарядопереноса основного состояния с целочисленным зарядом. Таким образом, электрическое легирование — это сдвиг уровня Ферми к наивысшему занятому (валентная зона) или наименьшему свободному (зона проводимости) молекулярному состоянию. Если свободный носитель ρ, N_A⁻ — ионизированная концентрация легирующего вещества, N_A — нейтральная концентрация, то свободная носительная плотность по уравнению (1): ρ = N_A⁻ = N_A / (1 + exp((E_A − E_F)/(K_BT))), где E_A, E_F — энергии акцептора и Ферми, K_B — постоянная Больцмана при температуре T.

Техника реализована двухзондовым дизайном в Atomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab (ATK-VNL). Биоинспирированные атомистические устройства в центре нанотехнологий, работают на ультравысоких THz частотах (~THz). Например, транспортные характеристики GaAs-Аденин-GaAs туннельного перехода показывают ~25 THz.

Легирование — намеренное внедрение внешних примесей в чистый полупроводник для улучшения электрических свойств. Важность электрического легирования:

Отличается от традиционного: при традиционном полупроводник легируется чужеродными допантами при высокой температуре, риск разрыва связей, используется ионизация. Электрическое легирование не связано с примесями: на двух концах устройства индуцируются противоположные заряды, создавая падение потенциала в центральной молекулярной области. Полезно для наноустройств, так как ионизация может вызывать структурные деформации наноматериалов. При традиционном легировании возникают проблемы (таблица 1). Дифференциация в таблице 1 помогает понять важность для наномасштабной фабрикации.

Таблица 1 показывает, почему электрическое легирование важно на молекулярном уровне: избегает тепловыделения, межатомных/межмолекулярных реакций, совместимо с любым наномасштабным дизайном.

В статье акцент на электрическом легировании. Метод полезен для наноустройств, главным образом молекулярных тонких пленок. Инъекция зарядовых носителей на двух концах молекулярного устройства. Процесс на рис. 1: как создается падение потенциала из-за вставки двух равных, но противоположных зарядовых носителей на концах электродов. Электроды — важная часть молекулярного устройства. Зарядная инъекция через электроды. Равные и противоположные заряды создают падение потенциала в центральной молекулярной области. Это падающее потенциал — движущая сила зарядопроводности между электродами через центральную молекулярную часть. Это и есть процесс электрического легирования. Используется в аналитическом/теоретическом моделировании наноустройств и для подготовки органических/неорганических молекулярных тонких пленок.

Рис. 1 показывает поток электронов/носителей от одного электрода к другому из-за падения потенциала, наложенного вариацией смещения на двух концах электродов.

Электрическое легирование на молекулярном уровне

Недавно исследователи заинтересованы в контролируемом легировании. Электрическое легирование вводит контролируемое легирование для неорганических полупроводников, помогает настраивать электрические свойства. Феномен настраивает оптический зазор полупроводников с их химической вариацией. Низкозатратный процесс, полезен для гибких подложек.

Процедура создает разность потенциалов между концами наноустройства. В теоретической работе [47-52] это делается подачей напряжений разной полярности, но одинакового значения на два конца через двухзондовые электроды. Схема на рис. 2.

Теоретический подход создает сильно легированные p⁺ и n⁺ области, важные для проектирования нанополупроводников для органических и неорганических материалов. Инъекция зарядовых носителей в молекулярные интерфейсы. Электрическое легирование — контролируемый процесс для органических молекул, а не неорганических тонких пленок. Традиционные p и n допанты не обязательны. Увеличивает инъекцию носителей и снижает управляющее напряжение, повышая эффективность. Метод зависит исключительно от инъекции электронной передачи или электронного приема хост-молекулой.

Гетеропереходная цепь из аденина и тимина биомолекул для сенсирования газов при прохождении через нанопор GaAs нанолиста [47]. Электрическое легирование индуцировано на двух частях нанолиста. Благодаря эффективной индуктивности биомолекулярная цепь сенсирует адсорбированные газы. В наноустройстве также рассматривается адсорбция молекул, например, летучих молекул при 32 °C в ZnO нанопроводах [53]. Используя DFT и NEGF из первых принципов, можно проектировать нано-FET с различными структурными модификациями. Наблюдаются свойства: масштабируемость, HOMO-LUMO зазоры, максимальный ток, RF производительность, линейность [54-61]. Конjugated ко-олигомерные молекулярные диоды проектируются DFT/NEGF. Ко-олигомеры соединяются с двумя электродами, образуя молекулярный диод. Анализируются зазор энергии, I-V характеристики, пространственные ориентации [62]. Первый-принципиальный подход применен к геометрически оптимизированным наноструктурам семи разных переходов из углеродных нанотрубок (CNT) с разными линкерами [63]. Различные диоды реализуются DFT/NEGF: Шоттки, одиночный молекулярный, спин-токовый, биполярный спиновый, ди-блок молекулярный, обратный диод [64-68].

Молекулярно-уровневые исследовательские работы на базе электрического легирования

Электрическое легирование на молекулярном уровне важно в наноэлектронике. Исследователи заинтересованы в внедрении этой процедуры в наномасштабное проектирование. Эффект помогает интерфейсу между разными молекулярными уровнями выравнивания. Приемлем для неорганических материалов. Помогает формированию интерфейса с помощью диполя и эквивалентного смещения в сравнительной позиции молекулярного интерфейса. Приемлем для выравнивания молекулярных интерфейсов.

Миниатюризация традиционных электронных устройств — ведущая исследовательская область. Подходы мотивируют изучение природы наноустройств. Важный подход — проектирование и симуляция аналитических наноструктур. Многие значимые устройства проектируются симуляцией и анализом результатов. Среди методов симуляции первый-принципиальный подход наиболее эффективен и популярен. Модернизация поощряет инновации традиционных устройств. Например, традиционные полупроводниковые устройства могут проектироваться с биомолекулами. Нуклеобазы (аденин, тимин, гуанин, цитозин) — строительные блоки ДНК. Обычно неорганические полупроводниковые устройства строятся в нанотехнологии, но сложно создавать органические электронные устройства из биомолекул. Полупроводники характеризуются легированием: без примесей — интринсик/чистый, с чужеродными атомами/молекулами — экстринсик/нечистый.

Наномасштабное проектирование — вызов. Диоды, транзисторы, логические вентили реализованы на молекулярном уровне. Есть сфера для нано-био-полупроводниковых устройств. Некоторые уже введены в биомедицину. Теоретический дизайн реализован Atomistix-Tool Kit и Virtual Nano Laboratory (ATK-VNL) Quantumwise симулятором v13.8.0. Квантово-клеточные автоматы (QCA) логика теоретически реализована DFT/NEGF первым-принципиальным подходом. Различные логические вентили возможно проектировать биомолекулами, результаты валидированы Multi-Sim, SPICE или другими симуляторами. Электрическое легирование — ключевая особенность для получения оптимального тока. Туннельный ток через молекулярный канал влияют факторы вроде обратного рассеяния. Внедряя легирование, избегаем проблем традиционного. Дипольная комбинационная модель для настройки Шотткиевского барьера на металл-полупроводниковом интерфейсе на молекулярном уровне предложена [78]. Первый-принципиальный подход применим к магнитным туннельным переходам, анализируются их квантово-электронные свойства [79]. Для расчета тока утечки через SiO₂ и SiO_xN_y MOSFET использовали DFT/NEGF первый-принципиальный подход [80]. Аб-initio моделирование для настройки высоты Шотткиевского барьера с иттрием и никелевымсилицидным атомарным интерфейсом [81]. Прямое зонно-зонное туннелирование в обратно смещенном MOS2 p-n переходе наноленточке описано DFT/NEGF [82]. Включение допантов противоположных полярностей в нанопровод показывает свойства Зенеровского диода [83]. Двойной спин-фильтрующий эффект в полуметаллическом иттрий-нитрите YN₂ [84]. Гетероструктурный биомолекулярный FET исследуется с электрическим легированием. Квантовый баллистический транспорт наблюдается с электрическим легированием на молекулярном уровне [85]. Теоретический подход: электрически легированный биомолекулярный коммутатор с однослойными углеродными нанотрубками (SWCNT) как электродами [86]. NEGF формализмы помогают проектировать графеновый анти-точечный резонансный туннельный диод [87]. Атомистические характеристики 2D кремниевых p-n переходов продемонстрированы первым-принципиальным подходом [88]. Диоды и транзисторы — базовые блоки электронной схемы. Логические вентили реализуются через диоды и транзисторы. Любая логика реализуема первым-принципиальными формализмами.

В недавнем тренде нанотехнологи исследователи заинтересованы в проектировании и характеристике электромеханических особенностей биоинспирированных и полупроводниковых устройств на атомном масштабе. Биоинспирированные устройства высоко биосовместимы, создают мост между полупроводниковой областью и биомолекулярной исследовательской ареной. CMOS технология насыщена. Цель — заменить и создать мост. Предложения по объединению CMOS с биоинспирированными технологиями (ДНК или другие биомолекулы). Важные части ДНК: аденин, тимин, цитозин, гуанин азотистые основания. Составляют композиты с рибозной сахарозой и фосфатными группами, образуя олигонуклеотид с фосфатным основанием. Корреляции динамических сигналов усилены для идентификации биомолекул и ДНК [89]. ДНК транслокация, электронная передача и полуэмпирическое моделирование через графеновый нанопор теоретически возможно DFT/NEGF [90-93]. ДНК анализ с графеновыми электродами полуэмпирическим моделированием [94]. Распознавание нуклеиновых кислотных оснований через поперечные транспортные свойства [95]. Проведение через стрельбу ДНК предложено группой исследователей [96]. Электронное усиление легированием пар оснований ДНК для повышения проводимости [97]. Электронное продвижение двойным протонным переносом [98]. Распознавание нуклеотидов перекрестным туннелированием первым-принципиальным подходом [99]. Структурные факторы контролируют проводимость ДНК [100]. Наномасштабные устройства демонстрируют огромные квантовые транспортные феномены для разных типов моделирования [56, 58, 59, 101-107]. Включают FET, диоды, оптические коммутаторы [60, 68, 108-116]. Предложенная работа — подход для моста между биомолекулами и III-V полупроводниковой технологией. Гетероструктура биомолекул и III-V нанокристаллических материалов проектируется первым-принципиальным теоретическим подходом. Исследуются электрические и оптические свойства азота и золота ко-легированного графена первым-принципиальными формализмами. Первый-принципиальный формализм находит изменение квантово-механических характеристик и исследует электронные/оптические свойства органических и неорганических молекул. Исследование дефектного графена вакансиями и Mn-легированного графена к поглощению H₂S. Исследование ферромагнетизма первым-принципиальным подходом для перехода-металл легированного AlN монослоя — новый тренд. Эффект легирования монослоя MoS₂ DFT для видимого света — важная тема. Исследование изменения электронных свойств Eu-легированного фосфорена первым-принципиальным подходом. Электромеханические квантовые транспортные особенности доступны для этих устройств [117-121].

1987 г.: Дестефанис предложил электрическое легирование HgCdTe ионной имплантацией и термической обработкой. Для увеличения пикселей в фокальных плоскостных массивах требовались ИК-фотовольтаические детекторы. Использование ионной имплантации HgCdTe увеличивало интерес производителей. В производстве фотоэлектрических ИК-детекторов вводили электрическое легирование. Эффект легирования в HgCdTe проявлялся значительно, так как интринсические свойства диодов напрямую связаны с ним [122]. Электрическое легирование также предложено для усиления плазмонического поглощения на Au-PbS core-shell нанокристаллах. Метод реализован внутричастичечным зарядовым переносом. Коллоидные нанокристаллы — строительные блоки для солнечных ячеек, фото-детекторов. Исследовали электронные свойства коллоидных нанокристаллических материалов и предложили новый подход к электрическому легированию этих нанокристаллических тел внутричастичным зарядовым переносом [123]. Процесс симуляции на рис. 3.

Методы симуляции электрического легирования

Аналитический дизайн молекулярных устройств требует постоянной инновации в материаловедении. Теория функционала плотности (DFT) и неравновесная функция Грина (NEGF) — два ключевых формализма за аналитикой моделирования наномасштабных устройств. Первый-принципиальный подход объединяет их для теоретического описания нанодименсионных устройств. Расширенная теория Хюккеля (EHT) — еще ключевой фактор ускорения проектирования атомистических устройств [126, 127]. Теоретические модели предотвращают проблемы наномасштабного дизайна: опасности легирования чужеродными частицами, генерация THz рабочей частоты. Цель — работа устройства при электронной температуре 300 К (комнатная). III-V полупроводники — оптически надежные материалы для проектирования электронных устройств. После кремниевой технологии III-V — одна из перспективных для наномасштабной полупроводниковой технологии. Биомолекулы (аденин, тимин, гуанин, цитозин) вводятся для формирования наномасштабных электронных устройств. Они также проявляют оптические свойства при симуляции в ближнем УФ (среднее УФ-B). В предложенной работе электронная характеристика симулированных наноустройств получена первым-принципиальным подходом. Полуэмпирическое моделирование проведено EHT для ускорения симуляции. Цель — проектировать и характеризовать III-V материалы с биомолекулами DFT/NEGF первым-принципиальными формализмами. Полуэмпирический дизайн биоинспирированных наноустройств в пакете Quantumwise.

Для включения электрического легирования в молекулярные устройства на два конца молекулярного интерфейса подается одинаковый, но противоположный заряд. Концентрация электрического легирования рассчитывается процедурой:

Предположим электроды ~1 нм длины и 0,5×0,5 нм поперечное сечение. В редакторе скриптов в разделе калькулятора электродов задаем заряд = +0,01 и −0,01. Для теоретического исследования использован пакет Atomistic Tool Kit-Virtual Nano-laboratory (ATK-VNL) на базе DFT/NEGF первого-принципиального подхода. Значение рассчитывается формулой:

• Эффективная концентрация легирования = легирование/объем [1, 70, 71]
• Пусть заряд легирования = ± x V
• Объем = длина (a) × ширина (b) × высота (c) = a×b×c
• Объем = (a×10⁻⁷)×(b×10⁻⁷)×(c×10⁻⁷) см⁻³ = abc×10⁻²¹/см³
• Эффективное легирование = x/(abc×10⁻²¹) = abc×10²¹/см³ [размеры в нм]

Объемы электродов постоянны, из рис. 4 видно, что концентрация легирования прямо пропорциональна приложенному смещению. Поэтому размер электродов держали постоянным. Малое изменение размера электродов приводит к большому изменению концентрации. Изменяя малое смещение, можно генерировать очень высокое электрическое легирование в системе первым-принципиальным подходом.

Электрическое легирование зависит от двух параметров: (1) эффективный заряд легирования (заряд на концах электродов) и (2) объем наноустройства. Формула: легирование/объем. Если меняется длина, высота или ширина — меняется концентрация. Для этой структуры объем — функция длины, высоты, ширины [70].

И температура, и толщина влияют на производительность наноустройств. Эффект самообогрева и тепловой шум меняют квантово-баллистический транспорт на низком измерении. Температура важна для производительности. Толщина связана с объемом, а эффективное легирование — с объемом, поэтому толщина тоже влияет. Изменение толщины → изменение объема → изменение концентрации легирования. Концентрация напрямую связана с производительностью: канальная проводимость, I-V характеристики. Поэтому изменение легирования из-за толщины обязательно меняет производительность [70].

Эволюция электрического легирования

Легирование — добавление явных примесных атомов в полупроводник. Намеренное добавление атомов в интринсик полупроводник для модуляции электрических свойств. Размеры электродов вводятся в редакторе скриптов: длина 1 нм, поперечное сечение 0,5×0,5 нм. Номинальный заряд ±0,01 для двух электродов. Скрипт обрабатывается job manager, получается рассчитанное значение легирования. Шаги:

• Открыть New Calculator, выбрать «ATK-SE: Extended Hückel (Device)».
• Снять галочку «No SCF iteration».
• Mesh cutoff 10 Hartree.
• Под «Poisson Solver» установить граничные условия «Neumann» по направлениям A(X) и B(Y).

Рис. 5: консолидированная сравнительная диаграмма между электрическим и традиционным легированием (Fe и Ni) для тиминовой нанотрубки [70]. Fe и Ni атомы выбраны для легирования тиминовой нанотрубки, с другой стороны молекула электрически легирована. Все результаты показывают, что количество электрического легирования намного больше при малом приложенном смещении. Примеры работ и преимущества в таблице 2. Дает сравнительное исследование электрически легированных устройств с существующим моделированием по традиционному методу. Существует несколько типов легирования: традиционное (добавление примеси), электрическое, ко-легирование. Обычно два типа допантов для традиционного: p-тип и n-тип (акцепторные и донорные примеси). Добавляются для улучшения электрических свойств,mainly проводимости. При электрическом легировании (аналитическое моделирование ATK-VNL) не добавляют чужеродные атомы. Вместо явного атомного легирования фокусируются на изменении разности потенциалов на двух концах устройства (главным образом на концах электродов). Легирование полупроводника с другим веществом — ко-легирование. Например, добавление Co и N в MoO₂ нанопроводы повышает электронную производительность [128-130]. Различные свойства (электронные, оптические, морфологические) p-легированных полифурановых (PF) молекулярных тонких пленок исследуются исследователями широким диапазоном легирования электрическим методом. При концентрации ≤2% значительно увеличивается ток короткого замыкания PF-фотоэлектрического устройства [44].

Из рис. 6: до 2000 г. концентрация легирования была высокой, потом стала ниже. Хотя производительность устройств улучшилась, концентрация легирования быстро снижается [124, 128, 134-136].

Оптическое и электрическое легирование также вводили в кремний с голмием в 1999 г. Интермолекулярное гибридное состояние также управляется электрическим легированием. Установлено, что для органических полупроводников молекулярное электрическое легирование находилось в противоречии, когда другие методы доказывались в этой области, например, формирование полярона. Главная цель — предложить полярон-производное состояние с пониженной энергией ионизации с УФ-фотоэлектроспекктроскопией [134]. Профиль электрического легирования в ферроэлектрических конденсаторах исследуется группой исследователей емкостно-вольтметрией. Профилирующий эффект концентрации электрического легирования в ферроэлектриках изучался эффектами: (1) зависящее от поля и пространственно перmittivity; (2) анализ переключения доменов Шотткиевского профилирования [135].

Из рис. 7: рабочая температура для этого типа легирования-зависимой операции устройств. График сложен, не подчиняется правилу. Температурное требование зависит исключительно от типа материалов.

Предложена новая модель диссоциации углеродных атомов на меди/силика молекулярном тонком слое интерфейсе с каталитически гидрогенизированными графеновыми сетками с полупостоянным методом электрического легирования. Процесс обеспечивает стабильное электронное легирование через C-N связи. Исследовано влияние ловушечных состояний на электрическое легирование органических полупроводников. Прямой зарядопередаточный процесс из ловушечного состояния хост-молекул в допант-молекулы повысил электрический эффект для органических полупроводников. Тип легирования повышает проводимость. Ловушечная плотность и энергия анализируются импедансной спектроскопией [136].

Из рис. 8: толщина вейферных слоев уменьшается по годам. Чем больше время, тем тоньше слой, выше производительность.

Электрически легированные и нелегированные поли(9,9-диоктилфлуорен-2,7-диил) (PFO) с тетрафлуортетрацианохинониметановскими пленками составлены фотоэлектронной спектроскопией и изучены I-V характеристики. Наблюдается область обеднения на интерфейсе PFO, ток увеличивается [137, 138]. Для высокотемпературных газовых сенсоров легирование важно. Исследованы проводимость и газовая чувствительность Ga₂O₃ тонких пленок. Концентрация легирования влияла на поверхностную чувствительность [138].

Из рис. 9: отсекающая длина волны устройств резко снижается за несколько десятилетий. Производительность значительно улучшилась. Таблица 3 дает взгляд на разные характеристики устройств по электрическому или традиционному легированию.

В обзоре рассмотрены работы, установленные с электрическим легированием. В наших работах использовали электрическое легирование в пакете Quantumwise в ATK-VNL атмосфере v13.8.0. Симуляция на первом-принципиальных формализмах, поддержана DFT и NEGF. Quantumwise — компактный набор атомистических инструментов моделирования. Разработан 2003 г. программистами и академиками. ATK-VNL движки помогают рассчитывать электронную структуру и формулировать интеркорреляции атомных орбиталей. Платформа позволяет вводить электрическое легирование на молекулярном уровне.

Заключение

Кратко иллюстрировано сравнение традиционного и электрического легирования. Хотя электрическое легирование не новое, реализация с DFT/NEGF первым-принципиальным подходом дает новый поворот. Поэтому электрическое легирование должно внедряться во многие молекулярные моделирующие подходы для новой эры наноэлектроники. Изучение феномена: почему важно, как работает для молекулярного моделирования, расчет концентрации. Предоставлено сравнительное исследование для асепромазина молекулы. В будущем это один из подходов, который докажет себя в наноустройственном моделировании.

Доступность данных и материалов

Все данные и материалы доступны в рукописи.

Аббревиатуры

DFT:

Теория функционала плотности

NEGF:

Неравновесная функция Грина

OPVC:

Органическая фотоэлектрическая ячейка

ATK-VNL:

Atomistix Tool Kit-Virtual Nano-Laboratory

HOMO–LUMO:

Наивысший занятый молекулярный орбитал–наименьший свободный молекулярный орбитал

CNT:

Углеродная нанотрубка

I–V:

Ток-напряжение

QCA:

Квантовые клеточные автоматы

YN₂:

Нитрит иттрия

ATK-SE:

Atomistix Tool Kit-Semi-empirical