GeSe納米電子器件整流特性的摻雜調(diào)控*

程楊名，廖文虎,2

(1.吉首大學信息科學與工程學院，湖南 吉首 416000；2.吉首大學物理與機電工程學院，湖南 吉首 416000)

單層二維材料因其獨特的電子特性受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，如石墨烯、MoS2、六方氮化硼及磷烯等[1-3]，特別是磷烯和砷烯的二維半導體，已迅速引起學者的興趣.近年來，已有大量關(guān)于類黑磷翹曲二維化合物的報道，如單層二維材料GeX和SnX(X=S,Se,Te)[4-5].研究表明，Ⅳ族單層硫族化合物表面具有與黑磷類似的起伏皺褶結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的光電性能，在納米和光電子學方面有潛在的應(yīng)用市場[6-9].而單層二維材料GeSe與磷烯的幾何構(gòu)型相似且具抗氧化性[10-11]，在空氣中比磷烯更穩(wěn)定.

目前，學者基于GeSe各向異性的物理特性提供了許多光電性能調(diào)控的新方法[12-14]，如摻雜、邊緣設(shè)計、鈍化和搭建異質(zhì)結(jié)等.單層本征GeSe是一種帶隙適中的二維半導體材料，取代摻雜是一種調(diào)整其單層電子結(jié)構(gòu)和輸運特性的有效方法.如Ge(Se)同族原子的替位摻雜可以保持單層GeSe結(jié)構(gòu)的半導體特性，而C，N，P和Si原子替位摻雜卻會極大地改變GeSe的電子結(jié)構(gòu)，使單層GeSe結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)顯著的金屬特征[5,15-17].因此，通過有效的光電性能調(diào)控方法克服原始GeSe材料的不足，有望為設(shè)計具有整流功能的器件提供機會.基于摻雜的GeSe納米帶器件具備的許多優(yōu)異的光電特性，借鑒傳統(tǒng)肖特基結(jié)的設(shè)計原理，筆者擬搭建一個不同原子替位摻雜下的單層GeSe納米電子器件模型，探究第Ⅴ主族原子(P，As，Sb)替位摻雜對GeSe納米電子器件電流-電壓特性的影響.

1 模型與方法

通過計算并比較不同原子摻雜GeSe晶體的結(jié)合能發(fā)現(xiàn)，常溫下用第V主族原子取代Ge(Se)原子是可行的[5].在扶手椅邊緣GeSe納米帶摻雜奇數(shù)個P原子時，GeSe納米帶由半導體性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傩再|(zhì)[18-20].基于此，筆者將邊緣摻雜的GeSe納米帶與未摻雜的扶手椅GeSe納米帶搭建在一起，形成肖特基結(jié)器件.通過部分摻雜構(gòu)造肖特基結(jié)器件，可以有效避免不同性質(zhì)材料之間的晶格失配問題，一定程度上降低不同性質(zhì)材料間因耦合相互作用或晶格失配而產(chǎn)生的器件電流-電壓變化不穩(wěn)定性.圖1示出了GeSe納米電子器件模型結(jié)構(gòu).整個器件由左電極、右電極和中心肖特基結(jié)3個部分組成，左、右電極在研究過程中設(shè)定為無限長，中心肖特基結(jié)構(gòu)包含長度L(L=1.7，3.4，5.1 nm)未經(jīng)摻雜的扶手型GeSe納米帶(原始半導體部分溝道)和長度N(N=1.7 nm)經(jīng)替位摻雜的扶手型GeSe納米帶.需要注意的是，經(jīng)原子替位摻雜的扶手型GeSe納米帶具有金屬性質(zhì)，其電子性質(zhì)幾乎不受結(jié)構(gòu)本身長度的影響，所以為了簡便起見，研究過程中固定摻雜處理部分溝道的長度，只改變中心半導體部分溝道的長度.

圖1 GeSe納米電子器件模型結(jié)構(gòu)

為了得到GeSe二極管的電流-電壓特性，在器件自洽與優(yōu)化的整個計算過程中，作用于原子上力的收斂標準取0.3 eV/nm.交換關(guān)聯(lián)函數(shù)為GGA_PBE96，能量截斷半徑為80 Hartree，采用Pulay算法進行迭代，混合率為0.05，費米溫度為100 K，能量收斂標準不低于10-5.左、右電極在輸運方向上K值取100，另2個方向K值取1，自洽計算與電流-電壓計算的K空間格點均取1×1×1.器件模擬計算過程中左、右電極取半無限長，為了避免層間相互作用的干擾，在電子輸運方向以外的其他2個方向分別設(shè)置1.5 nm的真空層.流經(jīng)器件電極的電流I可由Laudauer公式[21]得到，

(1)

其中：e為電子電量；h為普朗克常量；μL和μR分別為左、右電極的電化學勢；T(E,V)為電子能量是E、偏壓是V時的體系透射系數(shù)；fL(E-μL)和fR(E-μR)表示左、右電極的費米-狄拉克分布函數(shù).整流比R是反映電子整流器件整流效果強弱的重要指標，整流比定義為正、負偏壓下電流絕對值的比值，即

(2)

2 結(jié)果與討論

P原子替位摻雜下不同中心半導體溝道長度的GeSe納米電子器件的電流-電壓曲線如圖2(a)所示.由圖2(a)可見，中心半導體溝道長度L增加到5.1 nm后與初始1.7 nm相比，電流-電壓曲線發(fā)生了較大變化.初始結(jié)構(gòu)即中心溝道半導體部分與摻雜部分長度等長時，在[-1 V,1 V]范圍內(nèi)器件電流幾乎呈線性變化，即器件電流隨著正向偏壓的增大而增大，負向偏壓下尤其是當電壓絕對值增至0.8 V后，電流隨著負向偏壓的增大而明顯減小，呈現(xiàn)顯著的負微分電阻效應(yīng).當中心半導體溝道長度增加至3.4 nm時，在負向偏壓范圍內(nèi)，器件電流幾乎為0且不隨著偏壓的變化而變化；在正向偏壓范圍內(nèi)，電流隨著偏壓增大而增大，呈現(xiàn)顯著的整流特性.進一步增加中心半導體溝道長度至5.1 nm時，在[-1 V,1 V]整個偏壓范圍內(nèi)肖特基結(jié)電流幾乎不變，器件仍呈現(xiàn)良好的整流特性.

為了進一步分析不同中心半導體溝道長度的肖特基結(jié)器件整流效果，分別計算3種不同溝道長度下器件的整流比，如圖2(b)所示.由圖2(b)可見：當器件中心溝道半導體部分與摻雜部分長度均為1.7 nm時，在整個偏壓范圍內(nèi)整流比幾乎一直為0，器件沒有整流效果，這與中心半導體溝道長度為1.7 nm時的GeSe器件電流-電壓特性相吻合；當中心半導體溝道長度增加至3.4 nm時，相同偏壓下整流比顯著增大，器件整流效果進一步增強；當中心半導體溝道長度增加至5.1 nm時，器件整流效果最好.進一步分析發(fā)現(xiàn)，器件整流比隨著兩端偏壓的增大而增大，因此在最大偏壓絕對值處，GeSe肖特基結(jié)整流比最大.由此可知，在中心半導體溝道長度為5.1 nm范圍內(nèi)，相同偏壓條件下，隨著器件中心半導體溝道長度的增加，GeSe肖特基結(jié)的整流比相應(yīng)增大.這說明，中心半導體溝道長度對GeSe肖特基結(jié)器件的整流特性具有調(diào)控作用.

圖2 P原子替位摻雜下不同中心半導體溝道長度的GeSe納米電子器件整流特性

由于在第Ⅴ主族原子的替位摻雜下，GeSe納米帶的電子性質(zhì)會發(fā)生一定程度的變化，尤其是可能實現(xiàn)從半導體性質(zhì)到金屬性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，這對相關(guān)器件的電流-電壓特性會產(chǎn)生重要影響，因此筆者將在P原子替位分析的基礎(chǔ)上，進一步分析同族其他原子(As和Sb)在相同摻雜位置條件下電子器件的整流特性.

圖3和圖4分別示出了As和Sb原子替位摻雜下不同中心半導體溝道長度的GeSe納米電子器件的整流特性.

圖3 As原子替位摻雜下不同中心半導體溝道長度的GeSe納米電子器件的整流特性

圖4 Sb原子替位摻雜下不同中心半導體溝道長度的GeSe納米電子器件的整流特性

由圖3(a)和圖4(a)可見，中心溝道摻雜部分與未摻雜部分的長度均為1.7 nm時，在負向偏壓下，2種替位摻雜條件下的GeSe納米電子器件電流隨著負向偏壓絕對值的增大而先增大后減小，器件呈現(xiàn)一定程度的負微分電阻效應(yīng)；當器件中心半導體溝道長度增大至3.4 nm時，流經(jīng)器件電流在[-1 V,0 V)偏壓范圍內(nèi)幾乎減小至0，而在(0 V,1 V]范圍內(nèi)隨著偏壓的增大而增大，器件呈現(xiàn)出顯著的整流效果.

為了進一步分析As和Sb原子替位摻雜下不同中心半導體溝道長度的GeSe納米電子器件的整流效果，分別計算3種不同溝道長度器件的整流比，如圖3(b)和4(b)所示.由圖3(b)和4(b)可見：當中心半導體溝道長度大于3.4 nm后，GeSe肖特基結(jié)納米電子器件整流比隨著兩端偏壓的增大而增大,這與P磷原子替位摻雜實驗結(jié)論保持一致；當器件中心半導體溝道長度從1.7 nm增加至5.1 nm時,As和Sb原子替位摻雜下GeSe納米電子器件的整流比在同一偏壓下顯著提高，說明中心半導體溝道長度對器件的整流特性具有調(diào)控作用.

綜合分析P，As和Sb原子替位摻雜GeSe納米電子器件的整流特性不難發(fā)現(xiàn)，當器件中心半導體溝道長度為5.1 nm時，P，As和Sb原子替位摻雜的GeSe肖特基結(jié)納米電子器件在1 V處整流效果最佳.Sb原子摻雜下的肖特基結(jié)納米電子器件有最大的輸出電流(達到3.0 μA)，但此時整流比最大值僅為550；As原子替位摻雜下器件有最大的整流比(達到2 200)，但此時輸出電流最大值僅為1.0 μA.

3 結(jié)語

基于密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法，研究了第Ⅴ主族原子(P，As，Sb)替位摻雜條件下不同中心半導體溝道長度的GeSe納米電子器件的整流特性.實驗結(jié)果表明，摻雜條件下的GeSe納米電子器件中心半導體溝道長度與器件的整流特性關(guān)系密切.正向偏壓下電流隨著偏壓的增大而增大，負向電壓下當中心半導體溝道長度增加至3.4 nm時，電流幾乎為0且不隨著偏壓的變化而變化，器件呈現(xiàn)明顯的整流特性.由此可知，在5.1 nm長度范圍內(nèi)，隨著中心半導體溝道長度的增加，相同外部偏壓條件下，第Ⅴ主族原子(P，As，Sb)摻雜條件下的GeSe納米帶器件的整流特性逐漸增強.研究結(jié)果可以為GeSe二極管器件設(shè)計提供一定的理論參考.