도핑은 반도체 소자 제조의 핵심 특징입니다. 지난 몇십 년간 반도체 물리학 분야에서 도핑 제어를 위한 많은 전략이 발견되었습니다. 전기적 도핑은 전하 농도, 전자적 특성, 전달 특성을 효과적으로 조절하는 유망한 전략입니다. 이 도핑 공정은 고온 위험과 이물질 오염 위험을 줄여줍니다. 지난 몇십 년간 전기적 도핑 특성 연구를 위한 중요한 실험적, 이론적 노력이 입증되었습니다. 본 논문에서는 먼저 전기적 도핑의 역사적 로드맵을 간략히 검토합니다. 둘째, 분자 수준에서의 전기적 도핑을 논의합니다. 따라서 분자 수준에서의 실험적 연구들을 검토하고 전기적 도핑 기반의 다양한 연구 작업들을 검토합니다. 그런 다음 전기적 도핑의 중요성과 그 의의를 파악합니다. 또한 전기적 도핑의 방법들을 기술합니다. 마지막으로 전기적 도핑과 기존 도핑 방법 간의 간단한 비교 연구로 결론을 맺습니다.
도핑은 다양한 유기 또는 무기 물질, 특히 반도체의 물리적 특성과 응용을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 방법은 반도체 물리학 산업에서 성공적으로 입증되었습니다. 소량의 불순물 첨가가 물질의 도펀트 농도와 전기 전도도를 결정합니다. 이상적인 도펀트는 숙주 물질에서 이상적인 용해도를 보이고 낮은 결함 준위를 나타내야 합니다. 그러나 이러한 기존 도핑 공정과 관련된 몇 가지 기본적 문제가 있습니다. 예를 들어, 도핑 병목 현상이 소자 성능에 강력하게 영향을 미칩니다. 이러한 성능 저하는 와이드 밴드갭 물질에서 심각하게 관찰됩니다.
예를 들어, 높은 전도대 최소값 소자의 경우 n-형 도핑이 어렵고, 낮은 원자가대 최대값 소자의 경우도 복잡합니다[1, 2]. 따라서 와이드 밴드 반도체에서 양극성 도핑 공정에 몇 가지 문제가 발생합니다. p-형 또는 n-형 도펀트 중 하나만 삽입 가능하고 동시에 둘 다는 불가능한 것으로 관찰됩니다[3]. 이러한 문제를 보완하기 위해 도핑 영역에 실행 가능한 해결책이 도입되었습니다. 이 제안된 접근법은 양극성 도핑에 의존하지 않는 전기적 도핑으로 알려져 있습니다. 전기적 도핑은 양극성 도핑 문제를 해결하기 위해 도입되었습니다. 1980년대 후반과 1990년대 후반에 연구자들은 GaN 같은 III-V 화합물 단결정 성장이 어렵다는 것을 관찰했습니다. 심지어 1990년대 후반에는 상업용 GaN 기판도 구할 수 없었습니다. 그 이유는 사파이어 기판과 GaN 반도체의 격자 상수 차이와 열팽창 계수 차이가 사파이어 기판 위에 고품질 GaN 기반 에피택셜 층을 성장시키기 어렵게 만들었기 때문입니다. 반면 높은 n-형 배경 농도와 낮은 p-형 도핑 활성의 조합으로 인해 p-형 GaN 반도체를 얻는 것은 거의 불가능했습니다. 이 문제는 1998년 Rudaz에 의해 전기적 도핑 현상을 사용하여 상당히 극복할 수 있었습니다. 1980년대 후반 과학자들은 저온에서 GaN 기반 LED를 시연하기 위해 GaN 또는 AlN 버퍼 층 성장의 중요성을 발견했습니다. 성장 후 열 어닐링 공정은 GaN 버퍼 층에서 p-형 도펀트 성장을 활성화하는 데 도움이 됩니다. 이러한 발전은 와이드 밴드 옵토일렉트로닉 소자를 위한 III-V 질화물 반도체 물질 시스템의 소자 개발 성장을 가속화했습니다[4]. GaN 기판과 성장 후 열 어닐링 공정도 이 기술에서 중요한 역할을 합니다[5-7]. 지난 몇십 년간 플라즈마 식각 기술은 패턴 크기를 줄이기 위해 초고집적 기술(ULSI)에서 중요한 역할을 해왔습니다. 이는 나노기술의 진화로 이어졌습니다. 동시에 플라즈마 기술은 나노스케일 소자에 대한 전하 축적, 광자 UV 방사, 식각 성능 등 고유한 문제들에 직면했습니다. 이러한 문제들을 제거하고 실용적인 나노스케일 소자를 제작하기 위해 중성 빔 식각 공정이 도입되었습니다. S. Samukawa가 이 중성 빔 소스를 소개했으며, 나노스케일 소자의 전망을 위한 탑다운과 바텀업 처리의 결합에 대해 논의했습니다. 중성 빔 기술은 원자 단위로 사용되기 때문에 손상 없는 식각을 실행합니다. 이 기술을 사용해 무기 및 유기 물질의 표면 개질도 가능합니다. 이 기술은 미래 나노소자를 위한 실용적인 제작 기술의 유력한 경쟁자입니다[8]. 이 고밀도 플라즈마 기술에는 유도 결합 플라즈마(ICP)와 전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마가 포함되며, 이는 이 플라즈마 기술 구현의 핵심 방법입니다. 하지만 이 기술과 관련된 몇 가지 문제들이 있습니다:
이 문제들은 나노스케일 소자의 전기적 특성을 강력하게 저하시킵니다. 따라서 이러한 문제들은 고성능 중성 빔 식각 시스템을 사용해 회피할 수 있습니다. S. Samukawa와 그의 그룹은 미래 나노스케일 소자를 위한 궁극적인 탑다운 식각을 실현하기 위해 고효율 중성 빔 소스를 발명했습니다. 그들은 새로운 중성 빔 소스를 사용해 50 nm에서 서브-10 nm까지 미래 나노스케일 소자를 위한 궁극적인 식각 공정을 소개했습니다.
따라서 이 서신은 다음과 같이 구성됩니다. 먼저 전기적 도핑의 역사적 로드맵을 간략히 검토합니다. 그 후, 이 도핑 공정이 분자 수준에도 영향을 미치므로 분자 수준에서의 실험적 작업을 검토합니다. 그런 다음 전기적 도핑 공정과 관련된 다양한 연구 작업들에 대한 간략한 논의를 제공합니다. 전기적 도핑의 몇 가지 중요성은 다음 섹션에서 기술합니다. 또한 전기적 도핑 공정의 방법을 기술합니다. 마지막으로 기존 도핑과 전기적 도핑 간의 비교 연구에 대한 간략한 논의로 결론을 맺습니다.
이 연구가 주로 분자 수준에서의 전기적 도핑에 집중하지만, 기존 도핑의 초기 역사를 먼저 검토하는 것이 중요합니다. 1930년에 소량의 불순물 존재로 인해 반도체의 전도도가 영향을 받음이 발견되었습니다[2, 22, 23]. 1931년에 반도체 물질에 대한 첫 양자역학적 형식주의가 사용되었습니다[24]. p-n 접합의 원형은 1938년 Davydov에 의해 성공적으로 시연되었습니다[25, 26]. 이 논문은 소수 캐리어의 중요성을 설명했습니다. Woodyard가 "도핑" 개념을 도입했습니다. 그는 순수 게르마늄에 인, 비소, 안티모니의 소량을 혼입시켰습니다. 이 불순물 첨가는 게르마늄의 전기적 특성을 향상시켰습니다[27]. Shockley가 1949년 "접합 트랜지스터"라는 역사적 발명을 제안했습니다. 이 발명은 반도체 산업의 지형을 바꿨습니다[28]. 양극성 접합 발명이 반도체 산업 진화에 쓰나미를 일으켰지만, 트랜지스터와 관련된 여러 문제도 있었습니다. 예를 들어, 두 p-n 층이 얇은 공간 내에서 백투백으로 접합되어야 했습니다. 이 문제는 1950년 벨 연구소에서 "성장 접합 트랜지스터" 발명으로 이중 도핑 방법을 사용해 해결되었습니다[29, 30]. "이중 도핑" 공정에서 녹은 n-형 게르마늄에 갈륨을 소량 첨가해 게르마늄을 p-형으로 변환했습니다. 이후 안티모니를 소량 첨가해 다시 p-형에서 n-형으로 변환했습니다[31]. 두 종류의 도펀트가 이 공정에서 백투백으로 첨가되었습니다. 1950년대 초반에 진화한 또 다른 종류의 도핑은 "공도핑"으로 알려져 있습니다. p와 n 접합은 반도체의 "공도핑"으로 간주됩니다. 분자 수준에서의 도핑도 전기적 도핑의 중요한 부분입니다. 1998년 Rudaz는 III-V 반도체의 재료 크래킹을 줄여 전기적 도핑 효과를 극대화하는 방법을 제안했습니다[4]. 2002년 Zhou 등은 전기적 도핑 공정을 사용해 진공 증착 투명 유기 발광 다이오드(저전압 소자)를 시연했습니다. 전기적 도핑은 유기 소자 성능 향상에 중요한 역할을 합니다. 전기적으로 도핑된 캐리어 주입은 유기 LED(OLED)에서 발생합니다. 전극 계면 끝에서 라디칼 음이온, 양이온, 옴접촉으로 인해 수송 층이 낮은 구동 전압을 보입니다. 초저전압 OLED는 p-i-n 구조에서 100 cd/m2에 2.6 V로 진공 증착됩니다. 따라서 고유 발광층이 p-형과 n-형 와이드 밴드갭 수송층 사이에 샌드위치 구조로 위치합니다. 유기 분자 박막에서의 전기적 도핑 관련 활동은 몇 연구에서 강조되었습니다[32-42].
이는 원자 스케일 소자 설계 접근법에서 이온 포격 공정을 피하는 절차 중 하나입니다. Gao와 Kahn[43]은 이 공정을 분자 박막에 시연했습니다. 예를 들어, 트리스(4-브로모페닐)아미늄 헥사클로로안티모네이트(TBAHA) 4,4′,4″-트리스(3-메틸페닐페닐아미노)-트리페닐아민(m-MTDATA) 정공 수송층을 F4-TCNQ로 p-도핑한 폴리카보네이트 폴리머 같은 화합물들이 다양한 OLED 화합물 소자 층을 성공적으로 제작하는 데 사용되었습니다[45, 46]. 이 공정은 유기 태양광 전지(OPVC)에도 사용되었습니다. 이 공정은 분자 수준에서의 튜닝과 캐리어 주입에 의한 소자 효율 향상에도 사용되었습니다. 이 공정을 사용해 n-형과 p-형 도핑으로 분자 박막 전도도가 크게 증가합니다. 이 도핑 공정은 무기 반도체에서 옴접촉에 광범위하게 사용됩니다[43-46]. 요즘 유기 LED는 분자 나노기술 분야에서 효과적인 입지를 차지하고 있습니다. III-V 반도체에서 이 도핑 공정을 사용해 n-형 접촉과 n-형 외부 분자 삽입이 가능해졌습니다. 전기적 도핑은 분자 계면 층에서 전기 저항, 캐리어 삽입, 캐리어 재결합 같은 현상을 가능하게 합니다. 유기 태양광 전지(OPVC)는 전기적 도핑 현상의 가장 관련성 높은 응용 중 하나입니다. OPVC의 레벨 정렬 공정에서 이 공정은 이 셀들의 전도도에 작용합니다. 캐리어 주입은 이 방법으로 결국 증가합니다. 메타-유기 계면의 경우, 이 방법은 양자 터널링 전송이 일어날 수 있는 고갈 층 배열로 시작되고 이어집니다. 이는 유무기 접촉 제작에 효과적으로 사용될 수 있는 효율적인 공정 중 하나입니다. 이 공정은 분자 박막의 전하 중성 레벨 이동에도 도움이 됩니다. 또한 약 0.1~1%의 외부 분자를 이 방법을 사용해 분자 계면에 포함시킬 수 있습니다. 이 도핑 농도 수준은 기존 도핑 방법으로는 큰 수치입니다. 이 높은 도핑 농도는 퇴화 반도체 생성을 돕습니다. 이 높은 도핑 농도는 도핑 유도 밴드의 후속 형성을 방지하는 데 도움이 됩니다[34, 43-46].
전기적 도핑 방법에서 선택된 주된 기술은 이 공정을 사용해 페르미 레벨을 제어하는 것입니다. 따라서 이 기술은 지난 몇십 년간 무기 및 유기 반도체에서 높은 인기를 끌고 있습니다. 최근 몇 년간 전기적 도핑은 생체모방 나노기술 분야에서 특별한 주목을 받고 있습니다. 전기적 도핑은 분자 박막에 전자적 전하를 주입하거나 수용하는 공정입니다. 이 공정의 핵심 특징은 기존 n과 p 도핑이 양극성을 달성하기 위해 제약될 수 없다는 것입니다. 기존 이온화 공정은 이러한 유형의 전기적 도핑 공정에 적용되지 않습니다[43-46]. 전기적 도핑 절차는 일반적으로 나노스케일 소자 모델링에서 불가능한 이온 포격을 피하기 위해 도입되었습니다.
이 도핑 방법은 주로 두 단계로 결정됩니다:
따라서 전기적 도핑은 페르미 레벨을 최고 점유(원자가대) 분자 레벨 또는 최저 비점유(전도대) 분자 상태로 이동시키는 것임이 확인됩니다. 자유 캐리어가 ρ, NA−가 이온화된 도펀트 밀도, NA가 중성 도펀트 농도라면, 자유 캐리어 밀도는 식 (1)과 같이 공식화됩니다. 이 식에서 EA와 EF는 억셉터와 페르미 레벨 에너지이고, KB는 절대 온도 T에서의 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 투프로브 설계 기술을 사용해 수행되었습니다. 생체모방 원자론적 소자의 수가 나노기술의 핵심에 있습니다. 이 소자들은 초고주파 THz에서 동작합니다. 이 소자들에 대해 계산된 주파수는 THz 수준입니다. 예를 들어, GaAs-아데닌-GaAs 반도체 터널 접합의 수송 특성을 설명한 논문에서 동작 주파수가 약 25 THz로 보고되었습니다[125].
도핑은 순수 반도체 물질에 외부 불순물을 의도적으로 유도하여 전기적 성능을 향상시키는 이유입니다. 전기적 도핑 공정의 중요성은 다음과 같이 설명할 수 있습니다.
이 전기적 도핑 절차는 기존 도핑 공정과 다릅니다. 기존 도핑 공정에서는 반도체 물질이 외부 도펀트나 불순물로 도핑됩니다. 이 공정은 고온 공정입니다. 이 고온 도핑 공정 중 결합 파손이 발생할 수 있습니다. 이온화 방법도 이 도핑 방법 구현에 채택됩니다. 반면 전기적 도핑 공정은 불순물과 전혀 관련이 없습니다. 이 절차에서는 소자의 양단에 반대 전위 전하가 유도됩니다. 따라서 나노소자의 중앙 분자 영역에 전위 강하가 생성됩니다. 이 방법은 이온화 방법이 나노물질에 구조적 변형을 일으킬 수 있으므로 나노소자 설계에 매우 유용합니다. 기존 도핑의 경우 여러 문제가 발생할 수 있습니다. 주요 문제들 중 일부는 표 1에 나열되어 있습니다. 기존 도핑과 전기적 도핑의 차이는 표 1에 정리되어 있으며, 이는 전기적 도핑이 나노스케일 소자 제작에 왜 중요한지 이해하는 데 도움이 됩니다.
이 표 1은 전기적 도핑이 분자 수준에서 왜 중요한지 보여줍니다. 이 도핑은 열 발생, 원자간 또는 분자간 반응을 피하면서 모든 종류의 나노스케일 소자 설계 절차와 호환됩니다.
본 논문에서는 전기적 도핑 공정을 주로 강조합니다. 이 도핑 방법은 주로 분자 박막 제조를 위한 나노스케일 소자 제작에 유용합니다. 이 방법에서는 분자 소자의 양단에 전하 캐리어 주입이 일어납니다. 이 공정은 그림 1에도 묘사되어 있습니다. 이 다이어그램은 단순한 전기적 도핑 방법을 나타냅니다. 이 그림은 전극 양단에 두 개의 같지만 반대 전하 캐리어 주입으로 인해 전위 강하가 어떻게 생성되었는지 보여줍니다. 이 전극들은 분자 소자의 중요한 부분입니다. 전하 주입은 이 전극들을 통해 수행될 수 있습니다. 이 같고 반대 전하는 중앙 분자 영역 내에 전위 강하를 생성합니다. 이 전위 강하는 두 전극 사이, 즉 중앙 분자 부분을 통한 전하 전도의 구동력 역할을 합니다. 이것이 전기적 도핑의 실제 공정입니다. 이 공정은 요즘 주로 나노스케일 소자의 분석적 또는 이론적 모델링에 사용되지만, 유무기 분자 박막 제조에도 유용합니다.
그림 1은 전극 양단 바이어스 변동으로 인한 전위 강하로 인해 전자 또는 전하 캐리어가 한 전극에서 다른 방향으로 흐르는 방식을 보여줍니다.
최근 연구자들은 제어된 도핑 절차에 관심이 있습니다. 따라서 이 전기적 도핑 절차는 무기 반도체에 제어된 도핑을 도입하는 데 도움이 됩니다. 따라서 전기적 도핑을 도입해 이들 반도체의 전기적 특성을 튜닝하는 데도 도움이 됩니다. 이 도핑 현상은 화학적 변형을 통해 반도체의 광학 갭을 튜닝하는 데 도움이 됩니다. 이 도핑 절차는 저비용 공정이기도 하며 유연 기판에 유용합니다.
전기적 도핑 절차는 나노소자 양단 사이에 전위차를 생성하는 방법입니다. 이 이론적 작업[47-52]에서 우리는 나노소자 양단에 양극성은 다르지만 같은 값의 전압을 투프로브 전극을 통해 제공함으로써 이를 구현했습니다. 이 이론적 공정의 개략도는 그림 2에 나와 있습니다.
이 이론적 접근법은 고농도 양성(p+) 및 음성(n+) 영역을 생성하는 데 관여하며, 이는 유무기 물질 모두를 위한 나노반도체 소자 설계에 중요합니다.
이 절차를 사용해 전하 캐리어를 분자 계면에 주입합니다. 전기적 도핑은 무기 박막보다는 유기 분자에 대한 제어된 공정입니다. 따라서 기존 p와 n 도펀트 삽입이 필수적이지 않습니다. 결국 전기적 도핑은 캐리어 주입을 증가시키고 구동 전압을 감소시켜 소자 효율 향상을 이끕니다. 따라서 전기적 도핑 방법은 호스트 분자로의 전자적 전달 또는 전자 수용 주입에만 의존합니다.
아데닌과 티민 생체분자로 만들어진 이종접합 사슬이 GaAs 나노시트의 나노포어를 통과할 때 여러 가스를 감지하는 데 사용됩니다[47]. 이때도 전기적 도핑이 이 나노시트의 두 부분에 유도됩니다. 효과적인 인덕턴스로 인해 이 생체분자 사슬은 흡착된 외부 가스 분자를 감지하는 능력을 보입니다[47]. 나노소자 설계의 경우 분자 흡착도 다룹니다. 예를 들어, 32°C에서 ZnO 나노와이어에 휘발성 분자 흡착이 조사되었습니다[53]. DFT와 NEGF 형식주의 기반 제1원리 접근법을 사용해 다양한 구조적 수정을 통해 나노-FET를 설계할 수 있습니다. 이 나노-FET들의 다양한 특성들도 관찰됩니다. 예를 들어, 확장성 평가, 최고 점유 분자 오비탈-최저 비점유 분자 오비탈(HOMO-LUMO) 갭, 최대 획득 전류, RF 성능, 선형성 조사[54-61]. 공액 코올리고머 기반 분자 다이오드는 DFT-와 NEGF-기반 형식주의를 사용해 설계할 수 있습니다. 코올리고머는 두 전극과 연결되어 분자 다이오드를 형성합니다. 이 다이오드에 대해 에너지 갭, 전류-전압(I-V) 특성, 공간적 방향성이 분석됩니다[62]. 제1원리 접근법은 서로 다른 링커를 사용해 탄소 나노튜브(CNT)에서 파생된 7가지 다른 접합의 기하학적으로 최적화된 나노구조에 적용됩니다[63]. 다양한 유형의 다이오드를 DFT와 NEGF 공식 기반 제1원리 접근법으로 구현할 수 있습니다. 예를 들어, 쇼트키 다이오드, 단일 분자 다이오드, 스핀 전류 다이오드, 양극성 스핀 다이오드, 다이블록 분자 다이오드, 역방향 다이오드 특성 등이 이 접근법으로 구현됩니다[64-68].
분자 수준에서의 전기적 도핑은 나노전자공학에서 중요한 역할을 합니다. 연구자들은 나노스케일 소자 설계 절차에 이 도핑 절차를 도입하는 데 높은 관심을 보입니다. 이 도핑의 효과는 서로 다른 분자 수준의 정렬 간 계면 형성을 돕습니다. 이 공정은 유기 이종접합 분자 수준 연구에만 도움이 되는 것이 아니라 무기 물질에도 수용 가능합니다. 이 도핑은 쌍극자와 분자 계면의 비교적 위치에서 동등한 이동을 돕는 계면 형성에 기여합니다. 따라서 이 전기적 도핑 공정은 분자 계면 정렬에 수용 가능합니다.
기존 전자 소자의 소형화는 요즘 가장 떠오르는 연구 분야입니다. 연구자들이 나노스케일 소자의 본질을 조사하고 연구하도록 동기를 부여하는 여러 접근법이 있습니다. 가장 중요한 접근법 중 하나는 분석적 나노구조를 설계하고 시뮬레이션하는 것입니다. 많은 중요한 소자들이 이 시뮬레이션 절차를 사용해 설계되고 얻어진 결과들을 분석할 수 있습니다[47, 55, 56]. 결과에 따라 연구자들은 다양한 시뮬레이션 파라미터뿐만 아니라 나노스케일 분석 모델의 다양한 측면을 수정할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션 방법들 중 제1원리 접근법이 가장 효과적이고 인기 있는 공정입니다. 전자 소자의 현대화는 연구자들이 기존 소자를 수정된 버전으로 혁신하도록 장려합니다. 예를 들어, 기존 반도체 소자를 생체분자로 설계할 수 있습니다. 생체분자의 경우 일반적으로 아데닌, 티민, 구아닌, 시토신 같은 염기들이 고려되며, 이들은 DNA의 기본 구성 블록으로 알려져 있습니다[47, 55]. 나노기술 분야에서 기존 무기 반도체 소자를 구성하는 것은 매우 일반적입니다. 그러나 생체분자를 주로 사용해 유기 전자 소자를 구성하는 것은 어렵습니다. 이 반도체들은 도핑 특성에 따라 특성화됩니다. 반도체에 불순물 도핑이 없으면 고유 또는 순수 반도체라고 합니다. 반면 반도체가 외부 원자나 분자로 도핑되면 외인성 또는 불순 반도체로 알려집니다[55-60].
요즘 나노스케일 소자 설계는 연구자들에게 도전적인 측면입니다. 다이오드, 트랜지스터, 로직 게이트가 이미 분자 수준에서 구현되었습니다. 연구자들이 분자 수준에서 나노바이오반도체 소자를 구현할 또 다른 여지가 있습니다. 이러한 생체분자 소자들 중 일부는 이미 생물의학 분야에 도입되었습니다. 이러한 나노소자들의 이론적 설계는 Atomistix-Tool Kit와 Virtual Nano Laboratory (ATK-VNL) 기반 Quantumwise 소프트웨어 시뮬레이터 버전 13.8.0을 사용해 구현되었습니다[69-76]. 심지어 양자 셀룰러 오토마타(QCA) 로직도 DFT와 NEGF 기반 제1원리 접근법을 사용해 이론적으로 구현될 수 있습니다[77]. 다양한 로직 게이트를 생체분자로 설계할 수 있으며, 이들 이론적 함의로부터 얻은 결과들도 Multi-Sim이나 SPICE 또는 다른 시뮬레이터로 검증되었습니다[70]. 전기적 도핑 공정은 최적 전류를 얻기 위해 도입된 핵심 특징입니다. 분자 채널을 통한 터널 전류는 백산란 효과 등 다양한 요인들에 의해 영향을 받습니다. 이 도핑 공정을 구현함으로써 기존 도핑 공정과 관련된 문제들을 피할 수 있습니다. 금속-반도체 계면에서 분자 수준의 쇼트키 장벽 튜닝을 위한 쌍극자 결합 모델도 제안되었습니다[78]. 제1원리 접근법은 자기 터널 접합에도 적용 가능하며, 그들의 양자 전자적 특성들이 분석되었습니다[79]. SiO2와 SiOxNy 기반 MOSFET의 누설 전류 계산을 위해 연구자들은 DFT-와 NEGF-기반 제1원리 접근법을 사용했습니다[80]. 이 어비니시오 모델링은 이트륨과 니켈 실리사이드 원자 스케일 계면을 사용한 쇼트키 장벽 높이 튜닝 모델링에 적용되었습니다[81]. 역바이어스 MOS2 p-n 접합 나노리본에서의 직접 밴드-투-밴드 터널링은 DFT와 NEGF로 설명될 수 있습니다[82]. 나노와이어에 반대 극성 도펀트 원자 혼입 효과는 제너 다이오드 같은 전기적 특성을 보입니다[83]. 이중 스핀 필터링 효과는 반금속 이트륨 아질산염 YN2에서 볼 수 있습니다[84]. 이종구조 생체분자 FET 조사도 이 전기적 도핑 기법으로 관찰될 수 있습니다. 양자 탄도 수송은 분자 수준에서 이 전기적 도핑 현상으로 관찰될 수 있습니다[85]. 이 이론적 접근법을 사용해 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)를 전극으로 사용할 때 전기적으로 도핑된 생체분자 스위치가 설계됩니다[86]. NEGF 형식주의는 그래핀 기반 안티닷 공명 터널 다이오드 설계에 도움이 됩니다[87]. 2차원 실리콘 p-n 접합의 원자론적 특성이 제1원리 접근법으로 시연되었습니다[88]. 다이오드와 트랜지스터는 모든 전자 회로의 기본 구성 블록입니다. 로직 게이트도 다이오드와 트랜지스터로 구현될 수 있습니다. 따라서 어떤 로직도 제1원리 형식주의로 구현될 수 있습니다.
나노기술의 최근 동향에서 연구자들은 원자 스케일에서 생체모방 및 반도체 소자의 다양한 전기기계적 특성을 설계하고 특성화하는 데 관심을 보입니다. 이러한 생체모방 소자들은 높은 생체적합성을 가지며 반도체 영역과 생체분자 연구 분야 사이의 다리를 만듭니다. CMOS 기술은 이미 포화 상태입니다. 따라서 연구자들의 목표는 이들을 대체하고 연결하는 것입니다. 여러 제안들이 이미 연구자들에 의해 제기되어 CMOS 기술을 DNA나 다른 생체분자 같은 생체모방 기술과 연결하고 있습니다. DNA의 중요한 부분들은 아데닌, 티민, 시토신, 구아닌 질소 염기들입니다. 이 질소 염기들은 리보스 당과 인산기와 결합해 올리고뉴클레오티드를 형성합니다. 이 올리고뉴클레오티드는 인산기를 백본으로 가집니다. 생체분자와 DNA 식별을 위한 동적 신호 상관관계가 향상되었습니다[89]. 그래핀 나노포어를 통한 DNA 이동, 전자 전송, 반경험적 모델링도 DFT와 NEGF로 이론적으로 가능하게 되었습니다[90-93]. DNA 분석도 그래핀 전극을 사용한 반경험적 모델링으로 가능해졌습니다[94]. 횡단 수송 특성을 사용한 핵산 염기쌍 인식도 가능해졌습니다[95]. 짧은 DNA를 통한 전도도도 연구자 그룹에 의해 제안되었습니다[96]. 도핑 절차에 의한 DNA 염기쌍의 전자적 향상도 전도도 향상을 위해 도입되었습니다[97]. 전자적 촉진은 이중 양성자 이동 공정으로도 가능해졌습니다[98]. 교차 터널링 방법을 사용한 뉴클레오티드 인식도 제1원리 접근법으로 가능해졌습니다[99]. 구조적 요인이 DNA 전도도를 제어하며, 이는 [100]에서도 논의되었습니다. 나노스케일 소자들은 다양한 유형의 나노스케일 소자 모델링에 대해 엄청난 양자 수송 현상을 보입니다[56, 58, 59, 101-107]. 이 소자들에는 FET, 다이오드, 광학 스위치 등이 포함됩니다[60, 68, 108-116]. 이 제안된 작업은 생체분자를 III-V 반도체 기술과 연결하는 한 접근법입니다. 생체분자와 III-V 나노결정 물질의 이종구조도 제1원리 이론적 접근법으로 설계될 수 있습니다. 나아가 질소와 금 공도핑 그래핀의 전기적, 광학적 특성도 제1원리 형식주의로 조사되었습니다. 제1원리 형식주의는 유무기 분자들의 다양한 전자적, 광학적 특성 및 양자역학적 특성 변화 조사에 사용됩니다. 공결함 그래핀과 Mn-도핑 그래핀의 H2S 흡착 방향 조사도 가능합니다. 전이금속 도핑 AlN 단일층의 강자성 조사도 제1원리 접근법으로 떠오르는 트렌드입니다. DFT를 사용한 단일층 MoS2의 도핑 효과 조사는 가시광 분야에서 중요한 논제입니다. 제1원리 접근법 기반 Eu-도핑 포스포렌의 전자적 특성 변화 연구도 시연되었습니다. 전자기계적 양자 수송 특성들이 이 소자들에 대해 이용 가능합니다[117-121].
1987년 Destefanis는 이온 주입과 열처리 방법을 사용한 HgCdTe의 전기적 도핑을 제안했습니다. 초점면 배열 소자에 많은 픽셀을 증가시키기 위해 적외선 광전 검출기가 필요했습니다. HgCdTe 이온 주입 사용이 제조사들의 관심을 증가시켰습니다. 이러한 광전 적외선 검출기 제조 유형에서 전기적 도핑 공정이 도입되었습니다. 전기적 도핑이 HgCdTe에 미치는 영향이 다이오드의 고유 특성과 직접 관련되어 있으므로 상당히 나타남을 밝혀졌습니다[122]. 전기적 도핑은 Au-PbS 코어-쉘 나노결정에서 플라즈몬 흡수 향상에도 제안되었습니다. 이 도핑 방법은 입자 내 전하 이동 방법을 사용해 구현되었습니다. 이 실험에서 콜로이드 나노결정들이 태양전지, 광검출기 등의 기본 구성 블록으로 사용되었습니다. 이 접근법에서 연구자들은 콜로이드 나노결정 물질들의 전자적 특성들을 조사했고, 입자 내 전하 이동 방법을 사용해 이러한 나노결정 고체들에 전기적 도핑을 위한 새로운 접근법을 제안했습니다[123]. 이 시뮬레이션 작업의 공정 흐름은 그림 3에 나와 있습니다.
이 분자 소자들의 분석적 설계는 재료 과학 분야에서 지속적인 혁신과 개선을 요구합니다. 밀도 함수 이론(DFT)과 비평형 그린 함수(NEGF)는 이러한 나노스케일 소자 모델링 분석을 위한 두 가지 핵심 형식주의입니다. 제1원리 접근법은 이 두 형식주의를 결합해 이러한 유형의 나노차원 소자들을 이론적으로 기술합니다. 확장된 휘켈 이론(EHT)은 이러한 원자론적 소자들의 설계 절차를 가속화하는 또 다른 핵심 요소입니다[126, 127]. 이러한 이론적 모델링 절차들은 이물질 도핑 위험, THz 동작 주파수 생성 등 나노스케일 설계 관련 다양한 문제들을 예방하는 데 도움이 됩니다. 이 나노스케일 설계 절차의 또 다른 목표는 전자 온도를 300 K, 즉 상온으로 유지하며 소자를 동작시키는 것입니다. III-V 반도체들은 다양한 전자 소자 설계에 사용될 수 있는 광학적으로 건전한 반도체 물질입니다. 실리콘 기술 이후 III-V 반도체 기술은 나노스케일 반도체 기술에 적합한 떠오르는 가장 바람직한 영역 중 하나입니다. 생체분자들(아데닌, 티민, 구아닌, 시토신 등)이 다양한 나노스케일 전자 소자들을 형성하기 위해 도입되었습니다. 이러한 생체분자들도 근자외선 영역(중간 UV-B)에서 시뮬레이션될 때 광학적 노출을 보입니다. 이 제안된 작업에서 시뮬레이션된 나노스케일 소자들의 전자적 특성화는 제1원리 접근법을 사용해 수행되었습니다. 이 반경험적 모델링은 더 빠른 시뮬레이션을 위해 EHT로 수행되었습니다. 우리는 DFT-와 NEGF-기반 제1원리 형식주의를 사용해 III-V 물질들과 생체분자들을 설계하고 특성화하는 것을 목표로 합니다. 이 생체모방 나노소자들의 반경험적 설계는 Quantumwise 소프트웨어 시뮬레이션 패키지를 사용해 수행되었습니다.
분자 소자에 전기적 도핑을 포함시키기 위해, 분자 계면 양단에 같지만 반대 전하를 제공해야 합니다. 전기적 도핑 농도는 다음 절차로 계산됩니다:
전극이 약 1 nm 길이이고 0.5 nm × 0.5 nm 단면적을 가진다고 가정합니다. 계산 단순화를 위해 이 값들을 취했습니다. 스크립트 에디터에서 전극 계산기 섹션을 찾아 전하 = +0.01과 -0.01을 할당했습니다. 이 이론적 연구에는 Atomistic Tool Kit-Virtual Nano-laboratory (ATK-VNL) 소프트웨어 패키지가 사용되었습니다. 이 소프트웨어는 밀도 함수 이론(DFT)과 비평형 그린 함수(NEGF) 기반 제1원리 접근법을 사용합니다. 이 값은 다음 공식으로 계산됩니다:
전극 부피가 일정하게 유지되므로 그림 4에서 도핑 농도가 인가 바이어스 전압에 정비례함을 관찰할 수 있습니다. 이것이 전극 크기를 일정하게 유지한 또 다른 이유입니다. 전극 크기의 작은 변화가 전기적 도핑 농도의 큰 변화를 초래합니다. 따라서 제1원리 접근법을 사용해 바이어스 전압의 소량 변화로 시스템에 매우 높은 전기적 도핑을 생성할 수 있습니다.
이 경우 전기적 도핑은 주로 두 파라미터에 완전히 의존합니다. (1) 유효 도핑 전하(전극 양단에 인가된 전하)와 (2) 나노스케일 소자의 부피. 따라서 전기적 도핑 계산 공식은 도핑/부피로 언급되며, 길이, 높이, 폭 중 어느 하나의 파라미터가 변경되면 도핑 농도는 확실히 변경됩니다. 이 유형의 소자 구조에서 부피는 길이, 높이, 폭의 함수입니다[70].
온도와 두께 모두 이 나노스케일 소자들의 성능에 영향을 미칩니다. 자기 발열 효과와 열 잡음 생성 열도 이 저차원에서 이 소자들의 양자-탄도 수송 현상에 변화를 만듭니다. 따라서 온도는 소자 성능에서 중요한 역할을 합니다. 반면 두께는 소자 부피와 관련되고 유효 도핑은 부피와 직접 관련되므로 두께도 소자 성능에 영향을 미칩니다. 두께가 변경되면 부피가 그에 따라 변경되어 도핑 농도 변경으로 이어집니다. 도핑 농도는 채널 전도도, 전류-전압 특성 등 이 나노스케일 소자들의 소자 성능과 직접 관련됩니다. 따라서 두께 변경으로 인한 도핑 변경이 확실히 소자 성능을 변경시킵니다[70].
도핑이란 반도체에 명시적 불순물 원자를 첨가하는 것을 의미합니다. 도핑은 고유 반도체의 전기적 특성을 변조하기 위해 고유 반도체에 원자를 의도적으로 첨가하는 것입니다. 전극 크기는 스크립트 에디터에 삽입되며, 전극 길이를 1 nm, 단면을 0.5 nm × 0.5 nm로 설정했습니다. 따라서 명목 전하, 즉 ±0.01이 두 전극에 설정되었습니다. 이 스크립트는 작업 관리자를 통해 처리되며, 전극에 대한 계산된 도핑 값이 얻습니다. 이 계산을 위해 다음 단계들을 수행합니다:
그림 5는 전기적 도핑과 기존 도핑 공정(Fe와 Ni 사용) 간의 비교 연구 통합 형태를 보여줍니다. 이 분석 실험은 전기적 도핑의 예인 티민 나노튜브 구조에서 관찰되었습니다[70]. Fe와 Ni 원자가 티민 나노튜브 도핑에 선택되었고, 반면 분자는 전기적으로 도핑되었습니다[70]. 이 모든 결과들은 소량의 인가 바이어스에 대해 전기적 도핑 양이 기존 도핑에 비해 훨씬 더 많음을 보여줍니다. 전기적 도핑의 몇 가지 예시 작업들과 기존 도핑 대비 장점들이 표 2에서 논의됩니다. 이는 기존 도핑 방법을 따르는 기존 소자 모델링과 전기적으로 도핑된 소자들의 비교 연구를 제공합니다. 여러 유형의 도핑과 도펀트들이 있습니다. 예를 들어, 기존 도핑(불순물 첨가), 전기적 도핑, 공도핑. 일반적으로 기존 도핑 공정에는 p-형 도펀트와 n-형 도펀트 두 종류가 있습니다. 이들은 종종 억셉터와 도너 불순물 원자라고 불립니다. 이 외부 불순물들은 반도체 물질들에 첨가되어 주로 전도도 등 전기적 특성을 향상시킵니다. 전기적 도핑 공정의 경우, 주로 ATK-VNL 접근법을 사용한 분석적 모델링에서 외부 원자 첨가를 진행하지 않습니다. 대신 이 명시적 원자 도핑 대신 소자 양단(주로 전극 끝)에서 전위차 변화에 초점을 맞춥니다. 반도체가 다른 물질과 함께 도핑되는 것을 공도핑이라고 합니다. 예를 들어, Co와 N이 모두 MoO2 나노와이어에 첨가되면 이 나노와이어의 전자적 성능이 향상됩니다[128-130]. 연구자들이 다양한 도핑 비율을 사용해 전기적 도핑 방법으로 p-도핑된 폴리푸란(PF) 분자 박막의 전자적, 광학적, 형태적 특성들을 조사했습니다. 도핑 농도가 ≤2%일 때, 이 PF 기반 광전 소자의 단락 전류가 유의미하게 증가했습니다[44].
그림 6의 도핑 농도를 자세히 보면, 2000년 이전에는 도핑 농도가 높았지만 그 이후로는 낮아짐을 관찰할 수 있습니다. 따라서 소자 성능이 향상되었음에도 도핑 농도가 매우 빠르게 감소하고 있음을 강조할 수 있습니다[124, 128, 134-136].
광학 및 전기적 도핑 공정은 1999년 홀뮴을 사용해 실리콘에도 도입되었습니다. 분자간 혼성화 상태도 전기적 도핑 공정에 의해 지배됩니다. 유기 반도체의 경우 분자 전기적 도핑이 폴라론 형성 등 이 분야에서 다른 방법들이 입증되었을 때 상충되는 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 이 연구의 주요 목적은 자외선 광전자 분광법을 사용해 이온화 에너지가 감소된 폴라론 유도 상태를 제안하는 것입니다[134]. 강유전체 박막 커패시터의 전기적 도핑 프로파일은 연구원 그룹에 의해 정전용량-전압 측정을 사용해 조사되었습니다. 이 실험 연구에서 강유전체 내 전기적 도핑 농도의 프로파일링 효과는 다음 효과들을 사용해 조사되었습니다:
그림 7에서 이 유형의 도핑 의존 소자 동작을 위한 동작 온도를 관찰할 수 있습니다. 그래프가 약간 복잡하지만 특정 규칙을 따르지 않습니다. 따라서 이 소재 유형에만 온도 요구사항이 전적으로 의존한다고 결론지을 수 있습니다.
반영구적 전기적 도핑 방법을 사용해 촉매적으로 수소화된 그래핀 메쉬를 이용한 구리/실리카 분자 박막 계면에서 탄소 원자 해리 새로운 모델이 제안되었습니다. 이 공정은 C-N 결합을 통해 안정적인 전자 도핑을 가능하게 합니다. 나아가 유기 반도체에서 트랩 상태가 전기적 도핑에 미치는 효과도 조사되었습니다. 호스트 분자의 트랩 상태에서 도펀트 분자로의 직접 전하 이동 공정이 유기 반도체의 전기적 효과를 높였습니다. 이 유형의 도핑 공정은 전도도를 향상시킵니다. 따라서 트랩 밀도와 에너지도 임피던스 분광법으로 분석되었습니다[136].
그림 8에서 웨이퍼 층 두께가 연도별로 감소함을 명확히 관찰할 수 있습니다. 시간이 지날수록 층 두께가 줄어들고 소자 성능이 향상됩니다.
전기적으로 도핑된 및 비도핑 폴리(9,9-디옥틸플루오레닐-2,7-디일)(PFO)과 테트라플루오로테트라시아노퀴노디메탄 박막들이 광전자 분광법으로 구성되었고, 그들의 전류-전압 특성들도 조사되었습니다. 따라서 PFO 계면에서 고갈 영역이 생성됨을 관찰할 수 있습니다. 따라서 전류가 이후 증가했습니다[137, 138]. 고온 가스 센서에서 이 도핑 방법이 중요한 역할을 합니다. Ga2O3 박막의 전도도와 가스 감도가 조사되었습니다. 이 도핑 농도가 표면 감도에 영향을 미침이 관찰되었습니다[138].
그림 9에서 소자들의 컷오프 파장이 몇십 년 내에 급격히 감소함을 관찰할 수 있습니다. 따라서 소자 성능이 유의미하게 향상되었습니다. 표 3은 전기적 도핑 또는 기존 도핑 절차를 따르는 소자들의 다양한 특성들을 자세히 보여줍니다.
이 조사에서 우리는 전기적 도핑 공정을 사용해 이미 확립된 작업들을 검토했습니다. 우리 작업에서는 ATK-VNL 분위기에서 Quantumwise 소프트웨어 시뮬레이션 패키지를 사용해 전기적 도핑 공정을 사용했습니다. 이 소프트웨어 버전은 13.8.0입니다. 이 소프트웨어 시뮬레이션은 다시 DFT와 NEGF 형식주의에 의해 강력하게 지지되는 제1원리 형식주의에 기반합니다. Quantumwise는 원자 스케일 모델링 도구들의 콤팩트한 세트입니다. 이 도구들은 2003년 일부 소프트웨어 전문가들과 학자들에 의해 개발되었습니다. 이 ATK-VNL 시뮬레이션 엔진들은 전자 구조 계산과 원자 오비탈 간 상관관계 공식화에 도움을 줍니다. 이 플랫폼은 분자 수준에 전기적 도핑을 도입하는 데 도움을 줍니다.
이 보고서는 기존 도핑과 전기적 도핑 공정 간의 비교를 간략히 설명합니다. 전기적 도핑 공정이 그리 새로운 공정은 아니지만, DFT-와 NEGF-기반 제1원리 접근법의 도움으로 이 현상을 구현함으로써 새로운 전환점을 맞이합니다. 따라서 전기적 도핑은 나노전자공학의 새로운 시대를 열기 위해 많은 분자 모델링 접근법에 구현되어야 합니다. 이 연구는 전기적 도핑 현상이 왜 중요한지, 분자 모델링 접근법에서 어떻게 작동하는지, 전기적 도핑 농도 계산 등 면밀히 살펴봅니다. 따라서 우리는 아세프로마진 분자에 대해 전기적 도핑과 기존 도핑 공정 간의 비교 연구를 제공합니다. 결론적으로 미래에 이 접근법이 나노소자 모델링 분야에서 스스로를 입증할 것임을 강조합니다.
모든 데이터와 자료는 원고에 포함되어 있습니다.
나노물질
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