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전기적으로 도핑된 나노스케일 장치에서 제1원칙 접근 방식:종합 조사

초록

도핑은 반도체 장치 제조의 핵심 기능입니다. 지난 수십 년 동안 반도체 물리학 분야에서 도핑을 제어하기 위한 많은 전략이 발견되었습니다. 전기 도핑은 전하 모집단, 전자 특성 및 전송 특성을 효과적으로 조정하는 데 사용되는 유망한 전략입니다. 이 도핑 공정은 고온, 이물질 오염의 위험을 줄입니다. 지난 수십 년 동안 전기적 도핑의 특성을 연구하기 위해 상당한 실험적, 이론적 노력이 입증되었습니다. 이 기사에서는 먼저 전기 도핑의 역사적 로드맵을 간략하게 검토합니다. 둘째, 분자 수준에서 전기적 도핑에 대해 논의할 것입니다. 따라서 분자 수준에서 몇 가지 실험 작업을 검토하고 전기 도핑을 기반으로 수행되는 다양한 연구 작업을 검토합니다. 그런 다음 우리는 전기 도핑의 중요성과 그 중요성을 알아냅니다. 또한 전기 도핑 방법을 설명합니다. 마지막으로 전기 도핑 방법과 기존 도핑 방법 간의 간단한 비교 연구로 결론을 내립니다.

소개

도핑은 특히 반도체의 경우 다양한 유기 또는 무기 재료의 물리적 특성과 응용을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 방법은 반도체 물리학 산업에서 성공적으로 입증되었습니다. 소량의 불순물 첨가는 물질의 도펀트 농도와 전기 전도도를 결정합니다. 이상적인 도펀트는 호스트 재료에서 이상적인 용해도를 나타내야 하며 낮은 결함 수준도 나타냅니다. 그러나 이러한 유형의 기존 도핑 프로세스에는 몇 가지 기본적인 문제, 예를 들어 장치 성능에 강력한 영향을 미치는 도핑 병목 현상이 있습니다. 이러한 유형의 성능 저하가 와이드 밴드갭 재료에서 심각하게 관찰되었습니다.

예를 들어, 높은 전도대 소자의 최소값의 경우 n형 도핑이 어려운 반면, 낮은 가전자대 소자의 최대값의 경우도 복잡합니다[1, 2]. 따라서 광대역 반도체의 바이폴라 도핑 공정에서 몇 가지 문제가 발생합니다. p형 또는 n형 도펀트가 삽입될 수 있지만 함께 삽입될 수는 없는 것으로 관찰되었습니다[3]. 따라서 이러한 유형의 문제를 보완하기 위해 실현 가능한 솔루션이 도핑 영역에 통합되었습니다. 이러한 유형의 제안된 접근 방식은 이러한 유형의 바이폴라 도핑에 의존하지 않는 전기적 도핑으로 알려져 있습니다. 전기 도핑은 양극성 도핑의 문제를 해결하기 위해 도입되었습니다. 1980년대 후반과 1990년대에 연구자들은 GaN의 단결정과 같은 III-V 화합물이 성장하기 어렵다는 것을 관찰했습니다. 더욱이 1990년대 후반에는 GaN 기판을 상업적으로 사용할 수 없었습니다. 그 이유는 사파이어 기판과 GaN 반도체의 격자 상수와 열팽창 계수의 차이로 인해 사파이어 기판 위에 고품질의 GaN 기반 에피층을 성장시키기 어렵다고 설명했다. 반면에, 높은 n형 배경 농도와 낮은 p형 도핑 활성의 조합으로 인해 p형 GaN 반도체를 얻는 것이 거의 불가능했습니다. 이 문제는 1998년 Rudaz의 전기적 도핑 현상을 사용하여 크게 극복할 수 있습니다. 1980년대 후반에 과학자들은 저온에서 GaN 기반 LED를 시연하기 위해 GaN 또는 AlN 버퍼 층을 성장시키는 것이 중요하다는 것을 발견했습니다. 성장 후 열 어닐링 프로세스는 GaN 버퍼 층에서 p형 도펀트의 성장을 활성화하는 데 도움이 됩니다. 이러한 발전은 광대역 광전자 장치를 위한 III-V족 질화물 반도체 재료 시스템의 장치 개발 성장을 가속화했습니다[4]. GaN 기판과 성장 후 열처리 공정도 이 기술에서 중요한 역할을 합니다[5,6,7]. 지난 수십 년 동안 플라즈마 에칭 기술은 패턴 크기를 줄이기 위한 초대형 기술(ULSI)에서 중요한 역할을 합니다. 이것은 우리를 나노기술의 발전으로 이끌었습니다. 동시에 플라즈마 기술은 몇 가지 고유한 문제에 직면했습니다. 전하 축적, 나노 스케일 장치의 에칭 성능과 함께 광자 UV 복사. 이러한 문제를 해결하고 실용적인 나노 스케일 소자를 제작하기 위해 중성빔 식각 공정이 현장에 등장했다. S. Samukawa는 이 중성 빔 소스를 도입했으며 유망한 나노 스케일 장치에 대한 하향식 및 상향식 처리의 조합에 대해서도 이야기했습니다. Neutral beam 기술은 원자적으로 사용되기 때문에 무손상 식각이 이루어집니다. 이 기술을 사용하여 무기 및 유기 재료의 표면 개질도 수행할 수 있습니다. 이 기술은 미래의 나노소자를 위한 실용적인 제조 기술을 위한 유능한 경쟁자입니다[8]. 이 고밀도 플라즈마 기술에는 이 플라즈마 기술을 구현하기 위한 핵심 방법인 ICP(유도 결합 플라즈마)와 ECR(전자-사이클로트론-공명) 플라즈마가 포함됩니다. 그러나 이 기술에는 다음과 같은 몇 가지 문제가 있습니다.

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    다양한 유형의 방사선은 양이온과 전자의 전하 축적을 손상시킬 수 있습니다[8,9,10,11,12].

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    자외선(UV), 진공 자외선(VUV) 광선도 나노 크기의 장치를 손상시킬 수 있습니다.

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    X선 광자는 이 플라즈마 에칭 문제 동안 나노 스케일 장치의 파열을 일으킬 수도 있습니다[13,14,15,16,17,18,19,20,21].

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    전압 발생으로 인한 전하 축적으로 인해 이온 궤적이 왜곡되어 박막 게이트 산화막이 파손되기도 합니다.

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    이 외에도 고밀도 플라즈마 에칭 기술에서 방출되는 UV 또는 VUV 광자는 결정 결함을 생성합니다.

이러한 문제는 나노 스케일 장치의 전기적 특성을 크게 저하시킵니다. 따라서 고성능 중성 빔 에칭 시스템을 사용하면 이러한 문제를 피할 수 있습니다. S. Samukawa와 그의 그룹은 미래의 나노 스케일 장치를 위한 궁극적인 하향식 에칭을 실현하기 위해 고효율 중성 빔 소스를 발명했습니다. 그들은 우리의 새로운 중성 빔 소스를 사용하여 50nm에서 10nm 이하의 나노 스케일 장치를 위한 궁극적인 에칭 프로세스를 도입했습니다.

따라서 이 편지는 다음과 같이 구성됩니다. 먼저, 전기 도핑의 역사적 로드맵을 간략하게 검토합니다. 그런 다음 이 도핑 과정이 분자 수준에도 영향을 미치므로 분자 수준에서 몇 가지 실험 작업을 검토합니다. 그런 다음 전기 도핑 공정과 관련된 다양한 연구 작업에 대해 간략히 논의합니다. 전기 도핑의 몇 가지 중요성은 다음 섹션에 설명되어 있습니다. 또한, 전기 도핑 프로세스의 방법을 설명합니다. 마지막으로 기존 도핑과 전기 도핑의 비교 연구에 대한 간략한 논의로 마무리하겠습니다.

전기 도핑의 역사적 로드맵

이 연구는 대부분 분자 수준의 전기적 도핑에 초점을 맞추고 있지만 먼저 기존 도핑의 초기 역사를 검토하는 것이 중요합니다. 1930년에는 소량의 불순물로 인해 반도체의 전도도가 영향을 받는다는 사실이 밝혀졌습니다[2, 22, 23]. 1931년에 반도체 물질에 대한 최초의 양자역학적 형식론이 사용되었습니다[24]. p-n 접합의 프로토타입은 1938년에 Davydov에 의해 성공적으로 시연되었습니다[25, 26]. 이 기사에서는 소수 캐리어의 중요성에 대해 설명했습니다. Woodyard는 "도핑"이라는 개념을 도입했습니다. 그는 순수한 게르마늄에 소량의 인, 비소 또는 안티몬을 혼합했습니다. 이러한 불순물의 추가는 게르마늄의 전기적 특성을 증가시킵니다[27]. Shockley는 1949년에 그의 역사적인 발명, 즉 "접합 트랜지스터"를 제안했습니다. 이 발명은 반도체 산업의 기하학을 변화시켰습니다[28]. 양극성 접합의 발명은 반도체 산업의 발전에 쓰나미를 일으켰지만 트랜지스터와 관련된 몇 가지 문제도 있었습니다. 예를 들어, 두 개의 p-n 레이어는 얇은 공간 내에서 서로 연결되어야 합니다. 이 문제는 이중 도핑 방법을 사용하여 1950년 Bell 연구소에서 "성장 접합 트랜지스터"가 발명된 후 제거되었습니다[29, 30]. "이중 도핑" 공정의 경우, 녹은 n형 게르마늄에 갈륨 핀치가 첨가되어 게르마늄이 p형으로 변형되었습니다. 그 후, p형으로 다시 n형으로 변환하는 안티몬이 약간 포함되었습니다[31]. 이 과정에서 두 가지 유형의 도펀트가 연속적으로 추가되었습니다. 1950년대 초반에 발전된 또 다른 종류의 도핑이 있는데, 이를 "공동 도핑"이라고 합니다. p 및 n 접합은 반도체의 "공동 도핑"으로 간주됩니다. 분자 수준에서의 도핑은 또한 전기적 도핑의 중요한 부분입니다. 1998년 Rudaz는 III-V 반도체에 대한 재료 균열을 감소시켜 전기적 도핑 효과를 극대화하는 방법을 제안했습니다[4]. 2002년에 Zhou et al. 전기 도핑 공정을 이용하여 저전압 소자이기도 한 진공증착 투명 유기발광다이오드를 시연했다. 전기적 도핑은 유기 소자의 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 유기 LED(OLED)에 대해 전기적으로 도핑된 캐리어 주입이 발생합니다. 수송층은 낮은 구동 전압을 보여주는데, 이는 일반적으로 전극 인터페이스 끝의 라디칼 음이온, 양이온 및 옴 접촉으로 인한 것입니다. 초저전압 OLED는 100cd/m2에 대해 2.6V로 진공 증착됩니다. 2 p-i-n 구조에서. 따라서 고유 방출은 p형과 n형 와이드 밴드갭 수송층 사이에 끼어 있습니다. 몇몇 연구에서 유기 분자막의 전기적 도핑과 관련된 활동이 강조되고 있다[32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42].

이것은 원자 규모의 장치 설계 접근 방식에서 이온 충격 과정을 피하기 위한 절차 중 하나입니다. Gao와 Kahn[43]은 이 과정을 분자 박막에 시연했습니다. F4-TCNQ로 도핑된 트리스(4-브로모페닐)아미늄 헥사클로로안티모네이트(TBAHA) 4,4',4"-트리스(3-메틸페닐페닐아미노)-트리페닐아민(m-MTDATA) 정공 수송 층 p를 갖는 폴리카보네이트 중합체 다양한 OLED 복합 소자층을 성공적으로 제작하는 데 사용됩니다[45, 46]. 이 공정은 유기 광전지(OPVC)에도 사용되었습니다. 이 프로세스는 분자 수준에서 조정하고 캐리어 주입에 의한 장치 효율성 향상을 개선하는 데에도 사용되었습니다. 이 공정을 사용하면 n형 및 p형 도핑에 대해 분자막 전도도가 크게 증가합니다. 이 도핑 공정은 무기 반도체의 옴 접촉에 광범위하게 사용됩니다[43,44,45,46]. 오늘날 유기 LED는 분자 나노 기술 분야에서 효과적인 영상을 보유하고 있습니다. III-V 반도체에서 이 도핑 공정을 사용하면 n형 접촉과 n형 외부 분자의 삽입이 가능합니다. 전기 도핑은 또한 전기 저항, 캐리어 삽입, 분자 인터페이스 층으로 캐리어 재결합과 같은 현상을 가능하게 하는 데 도움이 됩니다. 유기 광전지(OPVC)는 전기 도핑 현상의 가장 관련성이 높은 응용 중 하나입니다. OPVC에 대한 레벨 정렬 과정에서 이 과정은 이러한 전지의 전도도에 작용합니다. 전하 캐리어 삽입은 이 방법에 의해 결국 증가합니다. 메타-유기 인터페이스의 경우 이 방법이 시작되어 양자 터널링 전송이 발생할 수 있는 공핍층의 배열을 가져옵니다. 이것은 유기 및 무기 접촉 제조에 효과적으로 사용할 수 있는 효율적인 공정 중 하나입니다. 이 프로세스는 또한 분자 박막의 전하 중성 수준을 이동하는 데 도움이 됩니다. 또한 이 방법을 사용하여 분자 계면에 약 0.1~1%의 외래 분자를 포함할 수 있습니다. 이러한 도핑 농도의 양은 기존의 도핑 방법에 대해 많은 수입니다. 이 수준의 도핑 농도는 축퇴 반도체를 생성하는 데 도움이 됩니다. 이 높은 도핑 농도는 도핑 유도 밴드의 후속 형성을 방지하는 데 도움이 됩니다[34, 43,44,45,46].

전기적 도핑 과정과 그 중요성

전기 도핑 방법을 선택한 주요 기술은 이 공정을 사용하여 페르미 준위를 제어하는 ​​것입니다. 따라서 이 기술은 지난 수십 년 동안 무기 및 유기 반도체에서 매우 인기가 있습니다. 최근 몇 년 동안 전기 도핑은 생체모사 나노기술 분야에서 특별한 관심을 끌고 있습니다. 전기 도핑은 전자 전하를 분자 필름에 삽입하거나 수용하는 과정입니다. 이 프로세스의 주요 특징은 기존의 n 및 p 도핑을 제한하여 양극성을 달성할 수 없다는 것입니다. 이러한 유형의 전기 도핑 공정에는 기존의 이온화 공정이 적용되지 않습니다[43,44,45,46]. 이온 충격을 피하기 위해 전기적 도핑 절차가 도입되었으며 이는 일반적으로 나노 스케일 장치 모델링에서는 불가능합니다.

이 도핑 방법은 주로 두 단계로 결정되었습니다.

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    첫 번째 단계는 도너에서 억셉터(분자로)로의 단일 전자 이동과 관련이 있습니다.

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    둘째, 기저 상태 정수 전하 이동 복합체의 해리 방법과 관련이 있습니다.

따라서, 전기적 도핑은 페르미 준위가 가장 높은 점유(valence band) 분자 준위 또는 가장 낮은 비점유(conduction band) 분자 상태로 이동하는 것에 불과함을 확인할 수 있다. 무료 이동통신사가 ρ인 경우 , N A - 이온화된 도펀트 밀도, N A 가 중성 도펀트 농도이면 자유 캐리어 밀도는 식과 같이 공식화됩니다. (1). 이 방정식에서 E AE F 수용자 및 페르미 준위 에너지 및 K 절대 온도 T에서 볼츠만 상수입니다. [124].

$$\rho =N_{{\text{A}}}^{ - } =\frac{{N_{{\text{A}}} }}{{1 + \exp \left( {\frac{{ E_{{\text{A}}} - E_{{\text{F}}} }}{{K_{{\text{B}}} T}}} \right)}}$$ (1)

이 도핑 기술은 Atomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab(ATK-VNL)에서 2-프로브 설계 기술을 사용하여 수행되었습니다. 생체에서 영감을 받은 원자 장치의 수는 나노기술의 핵심입니다. 이 장치는 초고 THz 주파수에서 작동합니다. 이러한 장치에 대해 계산된 주파수는 약 THz입니다. 예를 들어 GaAs-Adenine-GaAs 반도체 터널 접합에 대한 전송 특성이 설명된 기사에서. 그 기사에서 작동 주파수는 약 25THz로 보고됩니다[125].

도핑은 전기적 성능을 향상시키기 위해 순수한 반도체 재료에 외부 불순물을 의도적으로 유도하는 것입니다. 전기적 도핑 과정의 중요성은 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

이러한 전기적 도핑 과정은 기존의 도핑 과정과 다릅니다. 기존의 도핑 공정의 경우 반도체 물질에 외부 도펀트나 불순물이 도핑된다. 이 과정은 고온 과정입니다. 이 고온 도핑 과정에서 발생할 수 있는 결합의 파손 가능성이 있습니다. 이 도핑 방법을 구현하기 위해 이온화 방법도 채택됩니다. 반면에 전기적 도핑 과정은 불순물과 전혀 관련이 없습니다. 이 절차에서와 같이 장치의 두 끝에서 반대 전위 전하가 유도됩니다. 따라서 나노 장치의 중심 분자 영역에서 잠재적인 강하가 발생합니다. 이 방법은 이온화 방법이 나노 물질에 대한 구조적 변형을 일으킬 수 있기 때문에 나노 장치 설계에 매우 유용합니다. 기존 도핑의 경우 몇 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 주요 문제 중 일부는 표 1에 나열되어 있습니다. 기존 도핑과 전기 도핑의 차이점은 표 1에 나와 있으며, 또한 전기 도핑이 나노 스케일 장치 제조에 얼마나 중요한지 이해하는 데 도움이 됩니다.

이 표 1은 분자 수준에서 전기적 도핑이 중요한 이유를 보여줍니다. 이 도핑은 열 발생, 원자간 또는 분자간 반응을 방지하며 모든 종류의 나노 스케일 장치 설계 절차와 호환됩니다.

이 기사에서는 주로 전기 도핑 프로세스를 강조합니다. 이 도핑 방법은 주로 분자 박막 준비 나노 스케일 장치 제조에 유용합니다. 이 방법에서 전하 캐리어의 삽입은 분자 장치의 두 끝에서 발생합니다. 이 과정은 그림 1에도 나와 있습니다. 이 다이어그램은 간단한 전기 도핑 방법을 나타냅니다. 이 그림은 또한 전극의 두 단자에 동일하지만 반대의 전하 캐리어 삽입 삽입으로 인해 전위 강하가 어떻게 생성되었는지 보여줍니다. 이 전극은 분자 소자의 중요한 부분입니다. 이러한 전극을 통해 전하를 삽입할 수 있습니다. 이 동일하고 반대되는 전하는 중심 분자 영역 내에서 전위 강하를 생성합니다. 이 전위 강하는 두 전극 사이, 즉 중심 분자 부분을 통한 전하 전도의 원동력으로 작용합니다. 이것이 전기 도핑의 실제 과정입니다. 이 공정은 오늘날 주로 나노 스케일 장치의 분석 또는 이론 모델링에 사용되지만 유기 및 무기 분자 박막 제조에도 유용합니다.

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개념적 전기 도핑 과정의 개략도

그림 1은 전극의 두 단자에서 바이어스의 변화로 인해 부과된 전위 강하로 인해 한 전극에서 다른 방향으로 전자 또는 전하 캐리어가 어떻게 흐르는지를 보여줍니다.

분자 수준의 전기 도핑

최근 연구자들은 통제된 도핑 절차에 관심을 갖고 있습니다. 따라서 이 전기적 도핑 절차는 무기 반도체에 대한 제어된 도핑을 도입하는 데 도움이 됩니다. 따라서 전기적 도핑을 도입하여 이러한 반도체의 전기적 특성을 조정하는 것도 도움이 됩니다. 이 도핑 현상은 화학적 변화에 따라 반도체의 광학 갭을 조정하는 데 도움이 됩니다. 이 도핑 절차는 또한 저비용 공정이며 유연한 기판에 유용합니다.

전기 도핑 절차는 나노 장치의 두 끝 사이에 전위차가 생성되는 방법입니다. 이 이론적인 작업[47,48,49,50,51,52]에서 우리는 두 개의 프로브 전극을 통해 나노 장치의 두 끝에서 다른 극성이지만 동일한 값의 전압을 제공함으로써 이것을 배열했습니다. 이 이론적 과정의 개략도는 그림 2에 나와 있습니다.

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개념적 전기 도핑 프로세스의 개략도(ATK-VNL 사용)

이 이론적 접근은 유기 및 무기 재료 모두를 위한 나노반도체 소자를 설계하는 데 중요한 고농도 도핑된 양(p+) 및 음(n+) 영역을 생성하는 데 관련됩니다.

이 절차를 사용하여 전하 캐리어가 분자 인터페이스에 주입됩니다. 전기 도핑은 무기 박막보다는 유기 분자에 대한 제어된 공정입니다. 따라서 기존의 p 및 n 도펀트는 삽입에 필수가 아닙니다. 결국, 전기적 도핑은 캐리어 주입을 증가시키고 구동 전압을 감소시켜 장치 효율을 증가시킵니다. 따라서 전기적 도핑 방법은 호스트 분자에 전자 전송 또는 전자 수신을 주입하는 것에 전적으로 의존합니다.

이종접합 사슬은 사슬이 GaAs 나노시트의 나노포어를 통과할 때 여러 가스를 감지하는 데 사용되는 아데닌과 티민 생체분자로 만들어집니다[47]. 이 경우, 이 나노시트의 두 부분에서도 전기적 도핑이 유도된다. 효과적인 인덕턴스로 인해 이 생체 분자 사슬은 흡착된 외부 기체 분자를 감지하는 능력을 보여줍니다[47]. 나노디바이스 디자인의 경우 분자 흡착도 다룬다. 예를 들어, 32°C 온도에서 ZnO 나노와이어에 휘발성 분자의 흡착이 조사되었습니다[53]. DFT 및 NEGF 형식 기반의 첫 번째 원칙 접근 방식을 사용하여 다양한 구조적 수정을 사용하여 nano-FET를 설계할 수 있습니다. 이러한 나노 FET의 다양한 특성도 관찰됩니다. 예를 들어 확장성 평가, 최고 점유 분자 궤도-최저 비점유 분자 궤도(HOMO-LUMO) 갭, 최대 획득 전류, RF 성능, 선형성 조사 [54,55,56, 57,58,59,60,61]. 공액 올리고머 기반 분자 다이오드는 DFT 및 NEGF 기반 형식을 사용하여 설계할 수 있습니다. 공 올리고머는 두 개의 전극과 연결되어 분자 다이오드를 형성합니다. 이 다이오드에 대해 에너지 갭, 전류-전압(I-V) 특성, 공간 배향이 분석됩니다[62]. 첫 번째 원칙 접근 방식은 서로 다른 링커를 사용하여 탄소 나노튜브(CNT)에서 파생된 7가지 다른 접합의 기하학적으로 최적화된 나노구조에 적용됩니다[63]. DFT 및 NEGF 공식 기반의 첫 번째 원칙 접근 방식을 사용하여 다양한 유형의 다이오드를 구현할 수 있습니다. 예를 들어 쇼트키 다이오드, 단일 분자 다이오드, 스핀 전류 다이오드, 바이폴라 스핀 다이오드, 이중 블록 분자 다이오드, 역방향 다이오드 특성은 따라서 이 접근 방식을 사용하여 구현됩니다[64,65,66,67,68].

전기 도핑에 기반한 분자 수준 연구

분자 수준의 전기적 도핑은 나노전자공학에서 중요한 역할을 합니다. 연구원들은 나노 스케일 장치 설계 절차에서 이러한 도핑 절차를 도입하는 데 큰 관심을 가지고 있습니다. 이 도핑의 효과는 서로 다른 분자 수준의 정렬 사이의 인터페이스에 도움이 됩니다. 이 과정은 유기 이종 접합 분자 수준을 연구하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 무기 재료에도 허용됩니다. 이 도핑은 분자 계면의 비교 위치에서 쌍극자와 등가 이동의 도움으로 계면 형성을 돕습니다. 따라서 이러한 전기적 도핑 과정은 분자 계면 정렬에 적합합니다.

기존 전자 장치의 소형화는 오늘날 가장 떠오르는 연구 분야입니다. 연구자들이 나노 스케일 장치의 특성을 조사하고 연구하도록 동기를 부여하는 몇 가지 접근 방식이 있습니다. 가장 중요한 접근 방식 중 하나는 분석 나노구조를 설계하고 시뮬레이션하는 것입니다. 이 시뮬레이션 절차를 사용하여 많은 중요한 장치를 설계하고 얻은 결과를 분석할 수 있습니다[47, 55, 56]. 결과에 따라 연구원들은 나노 스케일 분석 모델의 다양한 측면뿐만 아니라 다양한 시뮬레이션 매개 변수를 수정할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션 방법 중 첫 번째 원칙 접근 방식이 가장 효과적이고 대중적인 프로세스입니다. 전자 장치의 현대화는 연구자들이 기존 장치를 수정된 버전으로 혁신하도록 장려합니다. 예를 들어, 기존의 반도체 장치는 생체 분자를 사용하여 설계할 수 있습니다. 일반적으로 생체 분자의 경우 DNA의 기본 빌딩 블록으로 알려진 아데닌, 티민, 구아닌, 시토신과 같은 핵염기가 고려되어 왔다[47, 55]. 나노 기술 분야에서 기존의 무기 반도체 소자를 구성하는 것은 매우 일반적입니다. 그러나 주로 생체분자를 이용하여 유기전자소자를 구성하는 것은 어렵다. 이러한 반도체는 도핑 특성에 따라 특성이 달라집니다. 반도체에 불순물 도핑이 없으면 진성 또는 순수 반도체라고 합니다. 반면, 반도체에 이물질이나 분자가 도핑되어 있으면 외부 또는 불순한 반도체라고 합니다[55,56,57,58,59,60].

오늘날, 나노 스케일 장치 설계는 연구자에게 어려운 측면입니다. 다이오드, 트랜지스터, 논리 게이트는 이미 분자 수준에서 구현되었습니다. 연구원들이 분자 수준에서 나노바이오반도체 소자를 구현할 수 있는 또 다른 범위가 있습니다. 이러한 생체 분자 장치 중 일부는 이미 생물 의학 분야에 도입되었습니다. 이러한 나노 장치의 이론적 설계는 Atomistix-Tool Kit 및 Virtual Nano Laboratory(ATK-VNL) 기반 Quantumwise 소프트웨어 시뮬레이터 버전 13.8.0을 사용하여 구현되었습니다. [69,70,71,72,73,74,75,76] . Quantum Cellular Automata(QCA) 로직도 DFT 및 NEGF 기반의 제1원칙 접근 방식을 사용하여 이론적으로 구현할 수 있습니다[77]. 생체 분자를 이용하여 다양한 로직 게이트를 설계할 수 있으며 이러한 이론적 함의에서 얻은 결과는 Multi-Sim이나 SPICE 또는 기타 시뮬레이터를 사용하여 검증되었습니다[70]. 전기적 도핑 프로세스는 최적의 전류를 얻기 위해 도입된 핵심 기능입니다. 분자 채널을 통한 터널 전류는 후방 산란 효과 등과 같은 다양한 요인의 영향을 받습니다. 이러한 도핑 프로세스를 구현함으로써 기존의 도핑 프로세스와 관련된 문제를 피할 수 있습니다. 쇼트키 장벽 튜닝을 위한 쌍극자 조합 모델은 분자 수준의 금속-반도체 인터페이스에서도 제안됩니다[78]. 자기터널접합에도 제1원리적 접근이 적용되며 양자전자적 특성이 분석되었다[79]. SiO2를 통한 누설 전류 계산 및 SiOx Ny 기반 MOSFET, 연구원들은 DFT 및 NEGF 기반의 첫 번째 원칙 접근 방식을 사용했습니다[80]. 이 ab-initio 모델링은 이트륨 및 니켈 실리사이드 원자 규모 인터페이스를 사용하는 쇼트키 장벽 높이 조정 모델링에 적용됩니다[81]. 역 바이어스된 MOS2 p-n 접합 나노리본의 직접 대역 대 대역 터널링은 DFT 및 NEGF를 사용하여 설명할 수 있습니다[82]. 반대 극성의 도펀트 원자를 나노와이어로 통합하는 효과는 제너 다이오드와 같은 전기적 특성을 나타냅니다[83]. 이중 스핀 필터링 효과는 반금속 이트륨 아질산염 YN2에서 볼 수 있습니다. [84]. 이 전기 도핑 기술을 사용하여 이종 구조 생체 분자 FET의 조사를 관찰할 수 있습니다. 분자 수준에서 이러한 전기적 도핑 현상을 이용하여 양자 탄도 수송을 관찰할 수 있다[85]. 이 이론적 접근을 사용하여 전기적으로 도핑된 생체분자 스위치는 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)를 전극으로 사용할 때 설계되었습니다[86]. NEGF 형식은 그래핀 기반 반점 공진 터널 다이오드를 설계하는 데 도움이 됩니다[87]. 2차원 실리콘 p-n 접합의 원자 특성은 첫 번째 원칙 접근 방식을 사용하여 입증되었습니다[88]. 다이오드와 트랜지스터는 모든 전자 회로의 기본 빌딩 블록입니다. 논리 게이트는 다이오드와 트랜지스터를 사용하여 구현할 수도 있습니다. 따라서 제1원칙 형식을 사용하여 모든 논리를 구현할 수 있습니다.

나노기술의 최근 경향에서 연구자들은 원자 규모에서 생체모사 및 반도체 장치의 다양한 전기기계적 특징을 설계하고 특성화하는 데 관심을 갖고 있습니다. 이러한 생체에서 영감을 받은 장치는 생체 적합성이 높으며 반도체 영역과 이분자 연구 영역 사이에 다리를 만듭니다. CMOS 기술은 이미 포화 상태입니다. 따라서 연구원들의 목표는 그들 사이를 대체하고 다리를 만드는 것입니다. DNA 또는 다른 생체 분자와 같은 생체 영감 기술과 CMOS 기술을 결합하기 위해 연구원들이 이미 여러 제안을 제기했습니다. DNA의 중요한 부분은 아데닌, 티민, 시토신 및 구아닌 질소 염기입니다. 이 질소 염기는 올리고뉴클레오티드를 형성하기 위해 리보오스 당 및 인산염 그룹과 복합물을 만들었습니다. 이 올리고뉴클레오티드는 인산염 그룹을 골격으로 가지고 있습니다. 생체 분자와 DNA의 식별을 위해 동적 신호에 대한 상관 관계가 향상되었습니다[89]. 그래핀 나노포어를 통한 DNA 전위, 전자 전달 및 반경험적 모델링도 DFT 및 NEGF를 사용하여 이론적으로 가능하게 할 수 있다[90,91,92,93]. 반경험적 모델링을 사용하여 그래핀 전극으로 DNA 분석을 가능하게 할 수도 있습니다[94]. 횡단 수송 특성을 사용하여 핵산 염기쌍을 인식하는 것도 가능하게 되었습니다[95]. 샷 DNA를 통한 컨덕턴스도 연구원 그룹에 의해 제안되었습니다[96]. DNA 염기쌍에 대한 도핑 절차에 의한 전자적 향상도 전도도를 향상시키기 위해 통합되었습니다[97]. 전자적 판촉은 또한 이중 양성자 전달 과정에 의해 가능했다[98]. 교차 터널링(cross-tunneling) 방법에 의한 뉴클레오티드의 인식도 제1원리 접근법을 사용하여 가능하였다[99]. 구조적 요인은 DNA의 전도도를 조절하며 이는 [100]에서도 논의된 바 있다. 나노 스케일 장치는 다양한 유형의 나노 스케일 장치 모델링에 대해 엄청난 양자 수송 현상을 나타냅니다[56, 58, 59, 101,102,103,104,105,106,107]. 이러한 장치에는 FET, 다이오드 및 광 스위치가 포함됩니다[60, 68, 108,109,110,111,112,113,114,115,116]. 이 제안된 작업은 III-V 반도체 기술을 사용하여 생체 분자를 연결하는 하나의 접근 방식입니다. 생체 분자 및 III-V 나노 결정질 물질의 이종 구조는 첫 번째 원칙 이론적인 접근 방식을 사용하여 설계할 수도 있습니다. 또한 질소와 금이 함께 도핑된 그래핀의 전기적, 광학적 특성을 제1원칙 형식론을 사용하여 조사합니다. 제1원칙 형식론은 양자역학적 특성의 변화를 알아내고 유기 및 무기 분자의 다양한 전자적 또는 광학적 특성을 조사하는 데 사용됩니다. H2 방향으로 vacancy-defected graphene 및 Mn-doped graphene에 대한 조사도 수행할 수 있습니다. S 흡수. 전이 금속 도핑 AlN 단층에 대한 첫 번째 원칙 접근 방식을 사용하는 강자성 조사도 떠오르는 추세입니다. 단층 MoS2에 대한 도핑 효과 조사 가시광선에 DFT를 사용하는 것은 중요한 토론 주제입니다. 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:

    <리>

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

    <리>

    Assume, doping charge =  ± x V

    <리>

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

    <리>

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

    <리>

    Effective doping = \(\frac{x}{{abc \times 10^{ - 21} }}\) = abc  × 10 21 /cm 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:

    <리>

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

    <리>

    Uncheck “No SCF iteration.”

    <리>

    Keep mesh cutoff to 10 Hartree.

    <리>

    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

    <리>

    A field and spatially dependent permittivity.

    <리>

    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 O3 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.

결론

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.

데이터 및 자료의 가용성

All the data and material are available in the manuscript.

약어

DFT:

밀도 함수 이론

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:

탄소나노튜브

I–V:

Current–voltage

QCA:

Quantum cellular automata

YN2 :

Yttrium nitrite

ATK-SE:

Atomistix Tool Kit-Semi-empirical


나노물질

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