金属掺杂对碲化镉纳米器件整流特性的影响*

杨金彪,廖文虎,,鲍海瑞

(1.吉首大学通信与电子工程学院,湖南 吉首 416000;2.吉首大学 物理与机电工程学院,湖南 吉首 416000)

电子晶体管作为20世纪最伟大的发明之一,在人类社会的发展过程中起到了不可或缺的重要作用.根据摩尔定律预测,集成电路中的晶体管数量每2年便会增加1倍,因此,探寻纳米尺度的电子器件是后摩尔定律时代的必然选择.二极管是现代电子产品的关键组成部分,主要由P型半导体和N型半导体烧结的PN结构成[1-2].此外,半导体和金属接触构建的肖特基二极管也因其独特的性能在微电子领域得到了广泛应用[3].近年来,学者利用第一性原理研究方法,探索了碳化硅PN结二极管的整流特性[4]及单分子二极管的整流特性[5].碲化镉属于具有闪锌矿结构[6]和纤锌矿结构[7]的II-VI族半导体材料,有独特的物理特性,因而被广泛应用于制作电子学和光电子学器件[8-13].对于现代半导体工艺而言,掺杂是一种非常重要的调控手段,在半导体材料中掺杂少量杂质原子,不仅可以提高半导体的电子输运性能[14],还可以拓宽半导体的应用领域[15-16].Alzaid等[17]研究了铜掺杂碲化镉纳米薄膜的微观结构和电学特性,结果显示,铜掺杂碲化镉纳米结构呈现出P型导电行为,且电导率随着铜掺杂浓度的增大而增强.Yao等[18]的研究表明,钒和铬掺杂的碲化镉具有半金属特性.

目前,尽管碲化镉晶体在原子掺杂方面的研究已有较多报道,主要集中在电学、光学和磁性等方面,但在纳米尺度电子器件的原理与设计方面,特别是整流特性方面还具有较大的研究空间.基于此,笔者采用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法,研究了铜-铬、铜-钒和铜-钛共掺杂碲化镉纳米电子器件整流特性的影响.

1 模型与方法

碲化镉纳米电子器件的模型如图1所示.该模型是利用具有闪锌矿结构的碲化镉纳米材料在过渡金属原子(铜-铬、铜-钒、铜-钛)掺杂下构建的碲化镉纳米电子器件模型.碲化镉纳米电子器件分为左电极、右电极和中心散射区.左电极由铜原子部分替代镉原子的碲化镉组成,右电极由铬、钒和钛原子部分替代镉原子的碲化镉组成,中心散射区由铜-铬、铜-钒和铜-钛原子共掺杂的碲化镉组成.该器件默认设置电极掺杂铬、钒和钛原子部分接电源正极,电极掺杂铜原子部分接电源负极,外加电场的电流方向见图1中虚线箭头.该器件模型通过Device Studio搭建完成,其结构优化通过VASP完成且原子受力收敛精度不低于0.1 eV/nm,电流-电压特性通过Nanodcal量子输运软件模拟完成.研究过程中,选择自洽哈密顿量和局域密度近似交换关联势LDA-DZP,费米温度设为100 K,能量截断半径取80 Hartree.器件的周期方向为X和Y方向,电子输运方向为Z方向.左电极、右电极和中心散射区的自洽K点取样分别为1×1×100,1×1×100和1×1×1.

图1 碲化镉纳米电子器件模型示意Fig.1 Schematic Diagram of CdTe Nanoelectronic Device Model

在考虑外加偏压条件下,碲化镉纳米电子器件的电流I可由朗道公式[19]计算,即

其中:VB表示左右电极上的偏压;T(E,VB)表示在能量为E、电压为VB条件下的透射系数;μL表示左电极的化学势;μR表示右电极的化学势;fL表示左电极的费米狄拉克分布函数;fR表示右电极的费米狄拉克分布函数.

正向整流比是考察纳米电子器件整流性能的重要指标,定义为正偏压条件下的电流比负偏压条件下的电流绝对值[20],即

2 结果

铜-铬、铜-钒和铜-钛掺杂下碲化镉纳米电子器件的电流-电压特性如图2(a)所示.从图2(a)可知,3种掺杂类型下,在[-1.2 V,+1.2 V]偏压范围内,器件的电流-电压特性曲线均呈现良好的二极管伏安特性,说明3种器件可应用于整流电路中.此外,原子共掺杂改变了碲化镉纳米电子器件的传输能力,其中,在[0 V,+0.6 V]偏压范围内,铜-钛共掺杂的碲化镉纳米二极管的电流大于铜-铬和铜-钒共掺杂的,而在[+0.6 V,+1.2 V]偏压范围内,铜-铬共掺杂的碲化镉纳米二极管的电流大于铜-钒和铜-钛共掺杂的.

铜-铬、铜-钒和铜-钛掺杂下碲化镉纳米电子器件的电导-电压特性如图2(b)所示.从图2(b)可知,器件电导-电压曲线呈现出与伏安特性类似的变化规律,在[0 V,+0.6 V]偏压范围内,铜-钛共掺杂的碲化镉纳米二极管的导电性最强,在[+0.6 V,+1.2 V]偏压范围内,铜-铬共掺杂的碲化镉纳米二极管导电性最强.3种器件在0 V偏压条件下均呈现出金属特性,说明3种器件均具有良好的导电性能.

图2 碲化镉纳米二极管的传输特性Fig. 2 Transmission Characteristics of CdTe Nanodiodes

铜-铬、铜-钒和铜-钛掺杂下碲化镉纳米二极管的整流性能如图3所示.

图3 碲化镉纳米二极管的整流特性Fig. 3 Rectification Characteristics of CdTe Nanodiodes

从图3(a)可知,3种器件的线性坐标整流比最大值均随着右电极掺杂原子半径的增加而增加,在0.8,0.5,0.4 V下,铜-铬、铜-钒和铜-钛共掺杂的碲化镉纳米二极管的最大整流比分别为5.41×104,3.88×105,2.16×106.从图3(b)可知,在[+0.4 V,+1.0 V]偏压范围内,铜-铬、铜-钒和铜-钛共掺杂的碲化镉纳米二极管对数坐标整流比均有良好的整流特性且整体整流比均达102以上,说明正常工作状态下3种器件能够实现良好的正向导通和反向截止.

为了解释碲化镉纳米二极管高整流比形成的具体物理原因,接下来分析在-1.0,0,+1.0 V偏压条件下,过渡金属共掺杂碲化镉纳米二极管的投影态密度.由于3种器件的投影态密度分布规律十分相似,因此仅以铜-铬共掺杂碲化镉纳米二极管为例进行分析.具体的投影态密度如图4所示.图中虚线代表偏压窗.

图4 碲化镉纳米二极管的投影态密度Fig. 4 Projected Density of States of CdTe Nanodiodes

从图4(a)可知,在-1.0 V偏压条件下,铜-铬共掺杂碲化镉纳米二极管偏压窗内电子分布稀少,说明器件电流较弱且处于关闭状态.若反向偏压继续增大,则偏压窗将靠近电子分布密集区域,电流也会急剧增大.从图4(b)可知,在0 V偏压条件下,铜-铬共掺杂碲化镉纳米二极管的费米能级从导带底和价带顶穿过,说明器件具有良好的导电性能.从图4(c)可知,在+1.0 V偏压条件下,偏压窗内分布有大量电子,说明器件电子传输能力强,电流显著增大,二极管处于导通状态.

进一步分析中心区域沟道长度对铜-铬共掺杂碲化镉纳米二极管电流-电压特性产生的影响.不同中心区域沟道长度下器件的整流特性如图5所示.

图5 铜-铬共掺杂碲化镉纳米二极管在不同中心区域沟道长度下的整流特性Fig. 5 Rectification Characteristics of Cu-Cr Co-Doping CdTe Nanodiodes with Different Channel Lengths in the Central Region

从图5(a)可知,随着中心区域沟道长度的增加,在[-1.0 V,+0.7 V]偏压范围内器件的电流基本保持稳定,但在[+0.8 V,+1.0 V]偏压范围内器件的电流随着偏压的增大呈现出先减小后增大的趋势.从图5(b)可知,在[+0.5 V,+0.7 V]偏压范围内,器件最大整流比和整体整流比随着中心区域沟道长度的增加而增大,因此,改变中心区域沟道长度可以有效调控铜-铬共掺杂碲化镉纳米二极管的整流性能.

3 结论

笔者基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理研究方法分析了铜-铬、铜-钒和铜-钛共掺杂碲化镉纳米二极管的整流特性.在[-1.2 V,+1.2 V]偏压范围内,铜-铬、铜-钒和铜-钛共掺杂的碲化镉纳米电子器件均呈现良好的二极管伏安特性曲线,0 V偏压条件下3种器件均呈现出金属特性,并且在[+0.4 V,+1.0 V]偏压范围内获得高达102以上的整流比.投影态密度结果进一步印证了在+1.0 V偏压条件下,铜-铬共掺杂的碲化镉二极管具有高整流比.随着中心区域沟道长度的增加,铜-铬共掺杂碲化镉纳米二极管的电流在+0.9 V偏压时有一定程度的降低,但是在[+0.5 V,+0.7 V]偏压范围整体整流性能得到了显著提升.本研究为设计碲化镉纳米电子器件提供了理论指导意义,展示了碲化镉纳米材料在电子器件领域美好的应用前景.