非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结肖特基势垒的调控

在纳米逻辑器件中,制造低的肖特基势垒仍然是一个巨大的挑战.本文采用密度泛函理论研究了非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结的结构稳定性和电学性质的影响.结果表明石墨烯与二硒化钼形成了稳定的范德瓦耳斯异质结,同时保留了各自的电学特性,并且形成了0.558 eV的n型肖特基势垒.此外,能带和态密度数据表明非对称氧掺杂可以调控石墨烯/二硒化钼异质结的肖特基接触类型和势垒高度.当氧掺杂在界面内和界面外时,随着掺杂浓度的增大,肖特基势垒高度都逐渐降低.特别地,当氧掺杂在界面外时, n型肖特基势垒高度可以降低到0.112 eV,提高了电子的注入效率.当氧掺杂在界面内时, n型肖特基接触转变为欧姆接触.平面平均电荷密度差分显示随着掺杂浓度的增大,界面电荷转移数量逐渐增多,导致费米能级向二硒化钼导带底移动,证实了随着氧掺杂浓度增大肖特基势垒逐渐降低,并由n型肖特基向欧姆接触的转变.研究结果将对基于石墨烯的范德瓦耳斯异质结肖特基势垒调控提供理论指导.     

外电场和双轴应变对MoSH/WSi2N4肖特基结势垒的调控

鉴于实验上最新合成的二维半导体材料WSi₂N₄(WSN)和二维金属材料MoSH(MSH),构建了金属-半导体MSH/WSN肖特基结.在实际的金属-半导体接触应用中,肖特基势垒的存在严重降低了器件的性能.因此,获得较小的肖特基势垒甚至是欧姆接触至关重要.本文使用第一性原理计算研究了在外电场和双轴应变作用下MSH/WSN肖特基结势垒的变化.计算结果表明,外电场和双轴应变均可以有效地调控MSH/WSN肖特基结势垒.正向外电场能实现MSH/WSN肖特基结p型与n型肖特基接触之间的动态转化,而负向外电场可实现MSH/WSN肖特基结向欧姆接触的转化.此外,较大的双轴应变可实现MSH/WSN肖特基结p型与n型肖特基接触的相互转化.此项工作为基于WSN半导体的肖特基功能器件及场效应晶体管提供理论指导.     

GaN/VSe2范德瓦耳斯异质结电接触特性及调控效应

降低金属-半导体界面的肖特基势垒并实现欧姆接触对于研发高性能肖特基场效应管非常重要.鉴于实验上已成功制备GaN及1T-VSe₂单层,本文理论构建GaN/1T-VSe₂异质结模型,并利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了其稳定性、肖特基势垒特性及其调控效应.计算的形成焓及淬火分子动力学模拟表明构建的异质结是稳定的.研究表明:本征异质结为p型肖特基接触,同时发现施加拉伸或压缩应变,异质结始终保持p型肖特基接触不变,没有出现欧姆接触.而施加外电场则不同,具有明显的调控效应,较高的正向电场能使异质结从肖特基接触转变为欧姆接触,较高的反向电场能导致p型肖特基接触转变为n型肖特基接触.特别是实施化学掺杂,异质结较容易实现由肖特基接触到欧姆接触的转变,例如引入B原子能使GaN/1T-VSe₂异质结实现典型的欧姆接触,而C和F原子掺杂,能使GaN/1T-VSe₂异质结实现准欧姆接触.这些研究对该异质结的实际应用提供了理论参考,特别是对于研发新型高性能纳米场效应管具有重要意义.     

二硫化钨/石墨烯异质结的界面相互作用及其肖特基调控的理论研究

采用第一性原理方法研究了二硫化钨/石墨烯异质结的界面结合作用以及电子性质,结果表明在二硫化钨/石墨烯异质结中,其界面相互作用是微弱的范德瓦耳斯力.能带计算结果显示异质结中二硫化钨和石墨烯各自的电子性质得到了保留,同时,由于石墨烯的结合作用,二硫化钨呈现出n型半导体.通过改变界面的层间距可以调控二硫化钼/石墨烯异质结的肖特基势垒类型,层间距增大,肖特基将从p型转变为n型接触.三维电荷密度差分图表明,负电荷聚集在二硫化钨附近,正电荷聚集在石墨烯附近,从而在界面处形成内建电场.肖特基势垒变化与界面电荷流动密切相关,平面平均电荷密度差分图显示,随着层间距逐渐增大,界面电荷转移越来越弱,且空间电荷聚集区位置向石墨烯层方向靠近,导致费米能级向上平移,证实了肖特基势垒随着层间距的增加由p型接触向n型转变.本文的研究结果将为二维范德瓦耳斯场效应管的设计与制作提供指导.     

电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构调控

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构的调控,发现当层间距d=2.83Å时异质结结构最稳定,且表现为Ⅱ型间接带隙半导体,其带隙为0.68 eV。通过施加垂直平面方向电场可有效调控PtO2/MoS2异质结电子结构,当外电场为-1 V/Å时,发生半导体-金属相变。这些研究结果表明PtO2/MoS2异质结在新型二维材料光电纳米器件方面具有广泛应用前景。     

电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构调控

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构的调控,发现当层间距d=2.83 ?时异质结结构最稳定,且表现为Ⅱ型间接带隙半导体,其带隙为0.68 eV.通过施加垂直平面方向电场可有效调控PtO2/MoS2异质结电子结构,当外电场为-1V/?时,发生半导体-金属相变...     

非金属元素掺杂二硒化钨/石墨烯异质结对其肖特基调控的理论研究

采用平面波超软赝势方法研究了非金属元素掺杂对二硒化钨/石墨烯肖特基电子特性的影响.研究表明二硒化钨与石墨烯层间以范德瓦耳斯力结合形成稳定的结构.能带结果表明二硒化钨与石墨烯在稳定层间距下形成n型肖特基势垒.三维电子密度差分图表明石墨烯中的电子向二硒化钨移动,使二硒化钨表面带负电,石墨烯表面带正电,界面形成内建电场.分析表明,将非金属原子掺杂二硒化钨可以有效地调控二硒化钨/石墨烯肖特基势垒的类型和高度. C, O原子掺杂二硒化钨时,肖特基类型由p型转化为n型,并有效降低了肖特基势垒的高度; N, B原子掺杂二硒化钨时,掺杂二硒化钨体系表现出金属性,与石墨烯接触表现为欧姆接触.本文结果可为二维场效应晶体管的设计与制作提供相关指导.     

肖特基势垒对铁磁/有机半导体结构自旋注入性质的影响

理论研究了铁磁/有机半导体肖特基接触时的电流自旋极化注入,并讨论了电流自旋极化率随界面处肖特基势垒高度、有机半导体层中特殊载流子及其迁移率、界面附近掺杂浓度的变化关系.通过计算发现,寻找在势垒区中载流子迁移率比较大的有机半导体材料对实现有效的自旋注入是必要的;同时还发现,由于铁磁/有机半导体接触而形成的肖特基势垒不利于自旋注入.因此要想实现有效的自旋注入,界面附近必须采用重掺杂来有效减少势垒区的宽度,且势垒的高度要限制在一定的范围内.     

电极处势垒对新结构器件电子输运的影响

在新结构薄膜电致发光器件中,电极处的势垒的高度决定电子的注入数量.在电极界面处插入不同的薄膜材料,可以改变势垒的高度,并对电子注入数量和器件的发光亮度产生影响.通过拟合计算得到ZnO/SiO,ITO/SiO的界面势垒高度分别为0.51和1.87eV. 关键词：     

双面HIT太阳电池TCO与非晶硅界面势垒的模拟优化

采用美国滨州大学研发的AMPS-1D软件,模拟了TCO与非晶硅界面势垒对TCO/a-Si:H(p+)/a-Si:H(i)/c-Si(n)/a-Si:H(i) /a-Si:H(n+)/TCO双面HIT异质结太阳电池光伏特性的影响.结果表明太阳电池的TCO/p+前接触界面势垒(对于电子)越高,越易形成欧姆接触,且电池的短波响应增强,使电池性能变好.模拟还发现,n+/TCO背接触界面势垒(对于电子)越低,电池性能越好.若背场重掺杂,在背接触势垒小于等于0.5 eV时,电池的转换效率不会受到背接触势垒的影响;若背场低掺杂,在背接触势垒很小的情况下,也能达到与重掺杂相同的转换效率.     

二维Janus结构的PdSSe/石墨烯接触特性的第一性原理探究

Janus结构由于其两侧的原子不同,存在一个内建电场.在本工作中,将具有Janus结构的六角PdSSe与石墨烯复合,构成范德瓦尔斯异质结构.通过基于密度泛函理论的第一性原理计算对其几何结构和电子结构进行了研究.计算中考虑了两种堆叠方式,即Se侧与石墨烯接触和S侧与石墨烯接触.当S侧与石墨烯接触时,体系具有更小的平衡间距和更大的电荷转移,结合能更低. S侧与石墨烯接触时形成了为n型欧姆接触;Se侧与石墨烯接触时形成了势垒极低的n型肖特基接触.最后,讨论了垂直应变对接触特性的影响.通过施加垂直应变,PdSSe/石墨烯的接触类型具有显著的可调性.     

铝-金刚石界面电子特性与界面肖特基势垒的杂化密度泛函理论HSE06的研究

宽带隙半导体金刚石具有突出的电学与热学特性,近年来,基于金刚石的高频大功率器件受到广泛关注,对于金属-金刚石肖特基结而言,具有较高的击穿电压和较小的串联电阻,所以金属-金刚石这种金半结具有非常好的发展前景.本文通过第一性原理方法去研究金属铝-金刚石界面电子特性与肖特基势垒的高度.界面附近原子轨道的投影态密度的计算表明:金属诱导带隙态会在金刚石一侧产生,并且具有典型的局域化特征,同时可以发现电子电荷转移使得Fermi能级在金刚石一侧有所提升.电子电荷在界面的重新分布促使界面形成新的化学键,使得金属铝-氢化金刚石形成稳定的金半结.特别地,我们通过计算平均静电势的方法得到金属铝-氢化金刚石界面的势垒高度为1.03 eV,该值与金属诱导带隙态唯像模型计算的结果非常接近,也与实验值符合得很好.本文的研究可为金属-金刚石肖特基结二极管的研究奠定理论基础,也可为金刚石基金半结大功率器件的研究提供理论参考.     

双面HIT太阳电池TCO与非晶硅界面势垒的模拟优化

采用美国滨州大学研发的AMPS-1D软件,模拟了TCO与非晶硅界面势垒对TCO/a-Si:H(p+)/a-Si:H(i)/c-Si(n) /a-Si:H(i) /a-Si:H(n+) /TCO双面HIT异质结太阳电池光伏特性的影响。结果表明太阳电池的TCO/p+前接触界面势垒（对于电子）越高,越易形成欧姆接触,且电池的短波响应增强,使电池性能变好。模拟还发现,n+ /TCO背接触界面势垒（对于电子）越低,电池性能越好。若背场重掺杂,在背接触势垒小于等于0.5ev时,电池的转换效率不会受到背接触势垒的影响;若背场低掺杂,在背接触势垒很小的情况下,也能达到与重掺杂相同的转换效率。     

电容-电压法研究AlxGa1-xN/GaN异质结压电极化效应

制备了基于调制掺杂Al0.22Ga0.78N/GaN异质结的Pt/Al0.22Ga0.78N/GaN肖特基二极管.由于Al0.22Ga0.78N势垒层中的极化场不同,不同Al0.22Ga0.78N势垒层厚度的二极管的电容-电压特性显著不同.根据对样品电容-电压特性的数值模拟,在Al0.22Ga0.78N势垒层厚度为30nm和45nm的样品中,异质界面的极化电荷面密度为6.78×1012cm-2.在Al0.22Ga0.78N势垒层厚度为75nm的样品中,极化电荷面密度降为1.30×1012cm-2.这种极化电荷面密度的降低是由于GaN上Al0.22Ga0.78N势垒层由于厚度增加而产生应变的部分弛豫.本工作也提供了一种定量表征AlxGa1-xN/GaN异质结中极化电荷面密度的方法.     

C/SiC纳米管异质结电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,对扶手椅型(4,4)和(6,6)及锯齿型(8,0)和(10,0)C/SiC纳米管异质结的电子结构进行了研究.结果表明两类异质结结构都表现为半导体特性.扶手椅型纳米管异质结形成了Ⅰ型异质结,电子和空穴都限制在碳纳米管部分.锯齿型纳米管异质结中价带顶主要分布在碳纳米管部分及C/SiC界面处,而导带底均匀分布在整个纳米管异质结上.这两种异质结结构在未来纳米器件中具有潜在的应用价值. 关键词： C/SiC纳米管异质结 第一性原理 电子结构     

InGaN插入层对AlGaN/GaN界面电子散射的影响

本文研究InGaN作为AlGaN/GaN插入层引起的电子输运性质的变化,考虑了AlGaN和InGaN势垒层的自发极化与压电极化对Al_xGa_(1–x)N/In_yGa_(1–y)N/GaN双异质结高电子迁移率晶体管中极化电荷面密度、二维电子气(2DEG)浓度的影响,理论分析了不同In摩尔组分下, InGaN厚度与界面粗糙度散射、随机偶极散射和极性光学声子散射之间的关系.计算结果表明:界面粗糙度散射和随机偶极散射对双异质结Al_xGa_(1–x)N/In_yGa_(1–y)N/GaN的电子输运性质有重要影响,极性光学声子散射对其影响最弱; 2DEG浓度、界面粗糙度散射、随机偶极散射和极性光学声子散射的强弱由InGaN势垒层厚度和In摩尔组分共同决定.     

p型GaN/Al0.35Ga0.65N/GaN应变量子阱中二维空穴气的研究

对Ga面p型GaN/Al0.35Ga0.65N/GaN应变异质结构中形成的二维空穴气(2DHG)进行了研究.首先基于半导体-绝缘体-半导体异质结构模型确定了应变异质中的临界厚度,然后自洽求解薛定谔方程和泊松方程,计算了当中间势垒层AlGaN处于完全应变状态和半应变状态两种条件下,顶层GaN及中间层AlGaN厚度的变化对2DHG分布的影响.计算结果表明,势垒层AlGaN和顶层GaN的应变状态和厚度对极化引起的2DHG面密度及分布有重要影响.在此基础上制备了p型GaN/Al0.35 Ga0.65N/GaN应变量子阱结构肖特基器件,并通过器件的C-V测试证实了异质结处2DHG的存在.器件响应光谱的测试结果表明,由于p型GaN/Al0.35Ga0.65N/GaN量子阱中强烈的极化作用和Stark效应使得器件零偏压和反向偏压时的响应光谱都向短波方向移动了10 nm,在零偏压下器件在280 nm处的峰值响应为0.022 A/W,在反向偏压为1 V时,峰值响应达到0.19 A/W,已经接近理论值.     

新型双异质结高电子迁移率晶体管的电流崩塌效应研究

针对传统单结GaN基高电子迁移率晶体管器件性能受电流崩塌效应和自加热效应限制的困境,对新型A1GaN/GaN/InGaN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管的直流性质展开了系统研究.采用基于热电子效应和自加热效应的流体动力模型,研究了器件在不同偏压下电流崩塌和负微分电导效应与GaN沟道层厚度的相关.研究发现具有高势垒双异质的沟道层能更好地将电子限制在沟道中,显著减小高电场下热电子从沟道层向GaN缓冲层的穿透能力.提高GaN沟道层厚度可以有效抑制电流崩塌和和负微分输出电导,进而提高器件在高场作用下的性能.所得结果为进一步优化双异质结高电子迁移率晶体管结构提供了新思路,可促进新型GaN高电子迁移率晶体管器件在高功率、高频和高温等无线通讯领域内的广泛应用.     

改进型异质栅对深亚微米栅长碳化硅MESFET特性影响

基于器件物理分析方法,结合高场迁移率、肖特基栅势垒降低、势垒隧穿等物理模型, 分析了改进型异质栅结构对深亚微米栅长碳化硅肖特基栅场效应晶体管沟道电势、 夹断电压以及栅下电场分布的影响.通过与传统栅结构器件特性的对比表明, 异质栅结构在碳化硅肖特基栅场效应晶体管的沟道电势中引入了多阶梯分布,加强了近源端电场; 另一方面,相比于双栅器件,改进型异质栅器件沟道最大电势的位置远离源端, 因此载流子在沟道中加速更快,在一定程度上屏蔽了漏压引起的电势变化,更好抑制了短沟道效应. 此外,研究了不同结构参数的异质栅对短沟道器件特性的影响,获得了优化的设计方案, 减小了器件的亚阈值倾斜因子.为发挥碳化硅器件在大功率应用中的优势,设计了非对称异质栅结构, 改善了栅电极边缘的电场分布,提高了小栅长器件的耐压.     

AlGaN/GaN异质结Ni/Au肖特基表面处理及退火研究

采用O₂等离子体及HF溶液对AlGaN/GaN异质结材料进行表面处理后，Ni/Au肖特基接触特性比未处理有了明显改善，反向泄漏电流减小3个数量级.对制备的肖特基接触进行200—600℃ 5min的N₂气氛退火，发现退火冷却后肖特基反向泄漏电流随退火温度增大进一步减小.N₂气中600℃退火后肖特基二极管C-V特性曲线在不同频率下一致性变好，这表明退火中Ni向材料表面扩散减小了表面陷阱密度；C-V特性曲线随退火温度增大向右移动，从二维电子气耗尽电压绝对值减小反映了肖特基势垒的提高. 关键词： AlGaN/GaN 肖特基接触 表面处理 退火