第一原理アプローチを使用した電気的にドープされたナノスケールデバイス：包括的な調査

はじめに

ドーピングは、特に半導体の場合、さまざまな有機または無機材料の物理的特性とその用途を決定する上で重要な役割を果たします。この方法は、半導体物理学業界で成功裏に証明されています。不純物を少量添加すると、材料のドーパント濃度と導電率が決まります。理想的なドーパントは、そのホスト材料に理想的な溶解性を示すはずであり、それはまた、低い欠陥レベルを示すことが観察される。ただし、いくつかの基本的な問題は、このタイプの従来のドーピングプロセスに関連しています。たとえば、デバイスのパフォーマンスに大きな影響を与えるドーピングボトルネックなどです。このタイプの性能低下は、ワイドバンドギャップ材料で深刻に観察されています。

たとえば、高伝導帯デバイスの最小値の場合、n型ドーピングは困難ですが、低価電子帯デバイスの最大値の場合も複雑です[1、2]。したがって、広帯域半導体のバイポーラドーピングプロセスにはいくつかの問題が発生します。 p型またはn型のドーパントを挿入することはできますが、一緒に挿入することはできません[3]。したがって、この種の問題を補うために、実行可能な解決策がドーピングの領域に組み込まれている。このタイプの提案されたアプローチは、電気ドーピングとして知られており、このタイプのバイポーラドーピングに依存しません。電気ドーピングは、バイポーラドーピングの問題を解決するために導入されました。 1980年代後半から1990年代にかけて、研究者たちは、GaNの単結晶のようなIII-V化合物は成長が難しいことを観察しました。さらに、1990年代後半の時代には、GaN基板の商用利用も利用できませんでした。その理由は、サファイア基板とGaN半導体の格子定数と熱膨張係数の違いにより、サファイア基板上に高品質のGaNベースのエピタキシャル層を成長させることが困難であると説明されました。一方、n型バックグラウンド濃度が高く、p型ドーピング活性が低いため、p型GaN半導体を得るのはほぼ不可能でした。この問題は、1998年のRudazによる電気ドーピング現象を使用して大幅に克服できます。1980年代後半、科学者は、低温でGaNベースのLEDを実証するためにGaNまたはAlNバッファ層を成長させることの重要性を発見しました。成長後の熱アニーリングプロセスは、GaNバッファ層でのp型ドーパントの成長を活性化するのに役立ちます。これらの進歩は、広帯域オプトエレクトロニクスデバイス用のIII-V窒化物半導体材料システムのデバイス開発の成長を加速させました[4]。 GaN基板と成長後の熱アニーリングプロセスもこの手法で重要な役割を果たします[5、6、7]。過去数十年以来、プラズマエッチング技術は、パターンサイズを縮小するための超大規模技術（ULSI）において重要な役割を果たしています。これが私たちをナノテクノロジーの進化へと導きました。同時に、プラズマ技術は、たとえばいくつかの固有の問題に直面しました。ナノスケールデバイスのエッチング性能とともに、電荷の蓄積、光子UV放射。これらの問題を取り除き、実用的なナノスケールデバイスを製造するために、中性粒子ビームエッチングプロセスが登場しました。 S. Samukawaは、この中性粒子ビーム源を紹介し、将来のナノスケールデバイスのトップダウン処理とボトムアップ処理の組み合わせについても話しました。中性粒子ビーム技術は、原子的に使用されるため、損傷のないエッチングが実行されます。この技術を使用して、無機および有機材料の表面改質も行うことができます。この技術は、将来のナノデバイスの実用的な製造技術の有能な候補です[8]。この高密度プラズマ技術には、誘導結合プラズマ（ICP）と電子サイクロトロン共鳴（ECR）プラズマが含まれます。これらは、このプラズマ技術を実装するための重要な方法です。ただし、この手法には、

• さまざまな種類の放射線が、陽イオンと電子の電荷蓄積を損なう可能性があります[8、9、10、11、12]。

• 紫外線（UV）、真空紫外線（VUV）の放射も、ナノスケールのデバイスに損傷を与える可能性があります。

• X線光子は、このプラズマエッチングの問題の際にナノスケールデバイスの破裂を引き起こす可能性もあります[13、14、15、16、17、18、19、20、21]。

• 電圧生成による電荷の蓄積により、イオンの軌道が歪むため、ゲート酸化膜の薄膜の破壊にもつながります。

• これらに加えて、高密度プラズマエッチング技術から放射されるUVまたはVUV光子は、結晶欠陥を生成します。

これらの問題は、ナノスケールデバイスの電気的特性を大幅に低下させます。したがって、これらの問題は、高性能中性粒子ビームエッチングシステムを使用して回避できます。 S. Samukawaと彼のグループは、将来のナノスケールデバイスの究極のトップダウンエッチングを実現するために、高効率の中性粒子ビーム光源を発明しました。彼らは、新しい中性粒子ビーム源を使用して、50nmからサブ10nmまでの将来のナノスケールデバイスに究極のエッチングプロセスを導入しました。

したがって、この手紙は次のように構成されています。まず、電気ドーピングの歴史的なロードマップを簡単にレビューします。その後、このドーピングプロセスは分子レベルにも影響を与えるため、分子レベルでのいくつかの実験作業を確認します。次に、電気ドーピングプロセスに関連するさまざまな研究作業について簡単に説明します。電気的ドーピングの重要性のいくつかは、次のセクションで説明されています。さらに、電気ドーピングプロセスの方法について説明します。最後に、従来のドーピングと電気的ドーピングの比較研究について簡単に説明します。

電気ドーピングの歴史的ロードマップ

この研究は主に分子レベルでの電気的ドーピングに焦点を当てていますが、最初に従来のドーピングの初期の歴史をレビューすることが重要です。 1930年には、不純物が少ないために半導体の導電率に影響が出ることがわかりました[2、22、23]。 1931年に、最初の量子力学的形式が半導体材料に使用されました[24]。 p-n接合のプロトタイプは、1938年にDavydovによって首尾よく実証されました[25、26]。この記事では、マイノリティキャリアの重要性について説明しました。ウッドヤードは「ドーピング」の概念を導入しました。彼は、少量のリン、ヒ素、またはアンチモンを純粋なゲルマニウムに組み込んだ。この不純物の添加により、ゲルマニウムの電気的特性が向上します[27]。ショックリーは1949年に彼の歴史的な発明、すなわち「接合トランジスタ」を提案しました。この発明は半導体産業の幾何学を変えます[28]。バイポーラ接合の発明は、半導体産業の進化に津波をもたらしましたが、トランジスタに関連するいくつかの問題がありました。たとえば、2つのp–n層は、薄いスペース内で背中合わせに接合する必要があります。この問題は、1950年にベル研究所でダブルドーピング法を使用して「成長接合トランジスタ」が発明された後に解消されました[29、30]。 「ダブルドーピング」プロセスの場合、ガリウムのピンチが溶融したn型ゲルマニウムに添加され、ゲルマニウムがp型に変換されました。その後、アンチモンのピンチがそれに含まれ、それがそれをp型に変換してn型に戻します[31]。このプロセスでは、2種類のドーパントが連続して追加されました。 1950年代初頭に開発された別の種類のドーピングがあり、これは「同時ドーピング」として知られています。 p接合とn接合は、半導体の「共ドーピング」と見なされます。分子レベルでのドーピングも電気的ドーピングの重要な部分です。 1998年、Rudazは、III-V半導体の材料の亀裂を減らすことにより、電気ドーピングの効果を最大化する方法を提案しました[4]。 2002年に、周等。電気ドーピングプロセスを使用することにより、低電圧デバイスでもある真空蒸着された透明な有機発光ダイオードを実証しました。電気ドーピングは、有機デバイスの性能を向上させるために重要な役割を果たします。電気的にドープされたキャリア注入は、有機LED（OLED）に対して行われます。輸送層は低い駆動電圧を示しますが、これは一般に、電極界面の端にあるラジカルアニオン、カチオン、およびオーミック接触によるものです。超低電圧OLEDは、100 cd / m ² で2.6Vで真空蒸着されます。 p–i–n構造で。したがって、固有の発光は、p型とn型のワイドバンドギャップ輸送層の間に挟まれます。有機分子膜の電気的ドーピングに関連する活動は、いくつかの研究で強調されています[32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42]。

これは、原子スケールのデバイス設計アプローチでイオン衝撃プロセスを回避するための手順の1つです。 GaoとKahn [43]は、このプロセスを分子薄膜上で実証しました。これらの化合物、例えば、トリス（4-ブロモフェニル）アミニウムヘキサクロロアンチモネート（TBAHA）4,4 '、4' '-トリス（3-メチルフェニルフェニルアミノ）-トリフェニルアミン（m-MTDATA）正孔輸送層pをF4-TCNQでドープしたポリカーボネートポリマーさまざまなOLED複合デバイス層を正常に製造するために使用されます[45、46]。このプロセスは、有機太陽電池（OPVC）でも使用されています。このプロセスは、分子レベルでの調整や、キャリア注入によるデバイス効率の向上にも使用されています。このプロセスを使用することにより、分子膜の導電率は、n型およびp型のドーピングで大幅に増加します。このドーピングプロセスは、無機半導体のオーミック接触に広く使用されています[43、44、45、46]。今日、有機LEDは分子ナノテクノロジーの分野で効果的な映像を保持しています。 III-V半導体では、このドーピングプロセスを使用して、n型接触とn型外部分子の挿入を可能にすることができます。電気的ドーピングは、電気抵抗、キャリア挿入、分子インターフェース層へのキャリア再結合などの現象を可能にするのにも役立ちます。有機太陽電池（OPVC）は、電気ドーピング現象の最も関連性の高いアプリケーションの1つです。 OPVCのレベル調整のプロセスでは、このプロセスはこれらのセルの導電率に作用します。この方法により、最終的に電荷キャリアの挿入が増加します。メタ有機界面の場合、この方法が始まり、空乏層の配置がもたらされ、それを介して量子トンネル透過が発生する可能性があります。これは、有機および無機の接点製造に効果的に使用できる効率的なプロセスの1つです。このプロセスは、分子薄膜の電荷中性レベルをシフトするのにも役立ちます。これに加えて、この方法を使用すると、分子界面に約0.1〜1％の外来分子を含めることができます。このドーピング濃度の量は、従来のドーピング方法では多数である。このレベルのドーピング濃度は、縮退した半導体を生成するのに役立ちます。この高いドーピング濃度は、その後のドーピングによって誘発されるバンドの形成を防ぐのに役立ちます[34、43、44、45、46]。

電気ドーピングプロセスとその重要性

電気ドーピング法に選ばれた最も重要な技術は、このプロセスを使用してフェルミ準位を制御することです。したがって、この技術は、過去数十年の間、無機および有機半導体の間で非常に人気があります。近年の電気ドーピングは、バイオインスパイアードナノテクノロジーの分野で特別な注目を集めています。電気的ドーピングは、分子膜への電荷の挿入または受容のプロセスです。このプロセスの重要な特徴は、従来のnおよびpドーピングを制約して双極性を達成できないことです。従来のイオン化プロセスは、このタイプの電気ドーピングプロセスには適用されません[43、44、45、46]。電気的ドーピング手順は、イオン衝撃を回避するために導入されました。これは、ナノスケールのデバイスモデリングでは一般的に不可能です。

このドーピング方法は、主に2つのステップで決定されました。

• 最初のステップは、ドナーからアクセプターへの（分子への）単一電子移動に関係しています。

• 第二に、それは基底状態の整数電荷移動錯体の解離の方法に関連しています。

したがって、電気的ドーピングは、フェルミ準位を最高の占有（価電子帯）分子レベルまたは最低の非占有（伝導帯）分子状態にシフトすることに他ならないことが確認されています。フリーキャリアがρの場合 、 N _A ⁻ イオン化されたドーパント密度、 N _A が中性ドーパント濃度である場合、自由キャリア密度は式（1）のように定式化されます。 （1）。この式では、 E _A および E _F アクセプターとフェルミ準位のエネルギーと K _B は絶対温度 T でのボルツマン定数です [124]。

このドーピング技術は、Atomistixツールキット-仮想ナノラボ（ATK-VNL）の2プローブ設計技術を使用して実行されました。バイオインスパイアードアトミックデバイスの数は、ナノテクノロジーの中心にあります。これらのデバイスは、超高THz周波数で動作します。これらのデバイスに対して計算される周波数は約THzです。たとえば、GaAs-アデニン-GaAs半導体トンネル接合の輸送特性が示されている記事の中で。その記事では、動作周波数は約25THz [125]と報告されています。

ドーピングとは、電気的性能を向上させるために、純粋な半導体材料に外部不純物を意図的に誘導することです。電気ドーピングプロセスの重要性は次のように説明できます。

この電気的ドーピング手順は、従来のドーピングプロセスとは異なります。従来のドーピングプロセスの場合、半導体材料は、外因性のドーパントまたは不純物でドープされる。このプロセスは高温プロセスです。この高温ドーピングプロセス中に発生する可能性のある結合の切断の可能性があります。このドーピング法を実施するために、イオン化法も採用されています。一方、電気ドーピングプロセスは不純物とはまったく関係ありません。この手順のように、反対の電位の電荷がデバイスの両端に誘導されます。したがって、ナノデバイスの中心分子領域に電位降下が発生します。イオン化法はナノ材料の構造変形を引き起こす可能性があるため、この方法はナノデバイスの設計に非常に役立ちます。従来のドーピングの場合、いくつかの問題が発生する可能性があります。主な問題のいくつかを表1に示します。従来のドーピングと電気的ドーピングの違いを表1に示します。また、ナノスケールのデバイス製造において電気的ドーピングがどのように重要であるかを理解するのにも役立ちます。

この表1は、電気ドーピングが分子レベルで重要である理由を示しています。このドーピングは、発熱、原子間または分子間反応を回避するとともに、あらゆる種類のナノスケールデバイス設計手順と互換性があります。

この記事では、電気ドーピングプロセスが主に強調されています。このドーピング方法は、ナノスケールのデバイス製造、主に分子薄膜の調製に役立ちます。この方法では、電荷キャリアの挿入は分子デバイスの両端で行われます。このプロセスは、図1にも示されています。この図は、単純な電気的ドーピング方法を表しています。この図は、電極の2つの端子に2つの等しいが反対の電荷キャリアが挿入されたために、電位降下がどのように発生したかも示しています。これらの電極は、分子デバイスの重要な部分です。電荷の挿入は、これらの電極を介して行うことができます。この等しく反対の電荷は、中央の分子領域内に電位降下を引き起こします。この電位降下は、2つの電極間、つまり中央の分子部分を介した電荷伝導の駆動力として機能します。これが実際の電気的ドーピングのプロセスです。このプロセスは現在、主にナノスケールデバイスの分析または理論モデリングで使用されていますが、有機および無機の分子薄膜の調製にも役立ちます。

概念的な電気ドーピングプロセスの概略図

図1は、電極の2つの端子でのバイアスの変動によって課せられた電位降下により、電子または電荷キャリアが1つの電極から別の方向にどのように流れるかを示しています。

分子レベルでの電気的ドーピング

最近、研究者は制御されたドーピング手順に興味を持っています。したがって、この電気的ドーピング手順は、無機半導体に制御されたドーピングを導入するのに役立ちます。したがって、電気ドーピングを導入することにより、これらの半導体の電気的特性を調整することも有用です。このドーピング現象は、半導体の光学的ギャップを化学的変化に合わせて調整するのに役立ちます。このドーピング手順も低コストのプロセスであり、柔軟な基板に役立ちます。

電気的ドーピング手順は、ナノデバイスの両端の間に電位差を生じさせる方法です。この理論的研究[47,48,49,50,51,52]では、2つのプローブ電極を介して、ナノデバイスの両端に異なる極性で同じ値の電圧を提供することにより、これを調整しました。この理論的プロセスの概略図を図2に示します。

概念的な電気ドーピングプロセスの概略図（ATK-VNLを使用）

この理論的アプローチは、高濃度にドープされた正（p +）および負（n +）領域を作成するために含まれます。これらは、有機および無機材料の両方のナノ半導体デバイスを設計するために重要です。

この手順を使用して、電荷キャリアを分子界面に注入します。電気ドーピングは、無機薄膜ではなく有機分子の制御されたプロセスです。したがって、従来のpおよびnドーパントは挿入に必須ではありません。最終的に、電気ドーピングはキャリア注入を増加させ、駆動電圧を低下させ、デバイスの有効性を高めます。したがって、電気的ドーピング方法は、ホスト分子への電子送信または電子受信のいずれかの注入にのみ依存します。

ヘテロ接合鎖は、鎖がGaAsナノシートのナノポアを通過するときにいくつかのガスを感知するために使用されるアデニンとチミンの生体分子で作られています[47]。その場合、電気ドーピングもこのナノシートの2つの部分で誘導されます。実効インダクタンスにより、この生体分子鎖は、吸着された外来ガス分子を感知する能力を示します[47]。ナノデバイスの設計の場合、分子の吸着も処理されます。たとえば、32°Cの温度での揮発性分子のZnOナノワイヤへの吸着が調査されています[53]。 DFTおよびNEGF形式に基づく第一原理アプローチを使用して、ナノFETはさまざまな構造変更を使用して設計できます。これらのナノFETのさまざまな特性も観察されます。たとえば、スケーラビリティ評価、最高被占軌道-最低空軌道（HOMO-LUMO）ギャップ、最大取得可能電流、RF性能、線形性調査[54,55,56、 57,58,59,60,61]。共役コオリゴマーベースの分子ダイオードは、DFTベースおよびNEGFベースの形式を使用して設計できます。コオリゴマーは2つの電極に接続され、分子ダイオードを形成します。このダイオードのエネルギーギャップ、電流-電圧（I-V）特性、空間配向が分析されます[62]。第一原理アプローチは、異なるリンカーを使用してカーボンナノチューブ（CNT）から誘導される7つの異なる接合部の幾何学的に最適化されたナノ構造に適用されます[63]。 DFTおよびNEGFの式に基づく第一原理アプローチを使用して、さまざまなタイプのダイオードを実装できます。したがって、ショットキーダイオード、単一分子ダイオード、スピン電流ダイオード、バイポーラスピンダイオード、ジブロック分子ダイオード、逆方向ダイオードの特性は、このアプローチを使用して実装されます[64,65,66,67,68]。

電気的ドーピングに基づく分子レベルの研究

分子レベルでの電気的ドーピングは、ナノエレクトロニクスにおいて重要な役割を果たします。研究者は、ナノスケールのデバイス設計手順でこのドーピング手順を導入することに非常に興味を持っています。このドーピングの効果は、異なる分子レベルのアラインメント間のインターフェースに役立ちます。このプロセスは、有機ヘテロ接合の分子レベルを研究するのに役立つだけでなく、無機材料にも受け入れられます。このドーピングは、分子界面の比較位置での双極子と同等の動きの助けを借りて、界面形成に役立ちます。したがって、この電気的ドーピングのプロセスは、分子界面の整列に受け入れられます。

従来の電子機器の小型化は、今日最も新しい研究分野です。ナノスケールデバイスの性質を調査および研究するように研究者を動機付けることにつながるいくつかのアプローチがあります。最も重要なアプローチの1つは、分析ナノ構造を設計およびシミュレートすることです。このシミュレーション手順を使用して多くの重要なデバイスを設計し、得られた結果を分析することができます[47、55、56]。結果によると、研究者は、ナノスケール分析モデルのさまざまな側面だけでなく、さまざまなシミュレーションパラメータを変更することができます。これらのシミュレーション方法の中で、第一原理アプローチが最も効果的で人気のあるプロセスです。電子デバイスの近代化は、研究者が従来のデバイスを修正バージョンで革新することを奨励しています。たとえば、従来の半導体デバイスは生体分子を使用して設計できます。一般に生体分子の場合、DNAの基本的な構成要素として知られているアデニン、チミン、グアニン、シトシンなどの核酸塩基が考えられています[47、55]。ナノテクノロジーの分野では、従来の無機半導体デバイスを構築することが非常に一般的です。しかし、生体分子を中心に有機電子デバイスを構築することは困難です。これらの半導体は、ドーピング特性に応じて特徴付けられます。半導体に不純物がドーピングされていない場合、それは真性半導体または純粋な半導体と呼ばれます。一方、半導体に外来原子または分子がドープされている場合、それは外因性または不純な半導体として知られています[55,56,57,58,59,60]。

今日、ナノスケールのデバイス設計は研究者にとって挑戦的な側面です。ダイオード、トランジスタ、論理ゲートはすでに分子レベルで実装されています。研究者が分子レベルでナノバイオ半導体デバイスを実装するための別の範囲があります。これらの生体分子デバイスのいくつかは、すでに生物医学の分野で導入されています。これらのナノデバイスの理論設計は、Atomistix-ToolKitおよびVirtualNano Laboratory（ATK-VNL）ベースのQuantumwiseソフトウェアシミュレータバージョン13.8.0 [69,70,71,72,73,74,75,76]を使用して実装されています。 。量子セルオートマトン（QCA）ロジックでさえ、DFTおよびNEGFベースの第一原理アプローチを使用して理論的に実装できます[77]。生体分子を使用してさまざまな論理ゲートを設計することが可能であり、これらの理論的含意から得られた結果は、Multi-SimまたはSPICEまたは他のシミュレーターを使用して検証されています[70]。電気ドーピングプロセスは、最適な電流を得るために導入される重要な機能です。分子チャネルを通るトンネル電流は、後方散乱効果などのさまざまな要因の影響を受けます。このドーピングプロセスを実装することにより、従来のドーピングプロセスに関連する問題を回避できます。ショットキーバリアチューニングの双極子組み合わせモデルは、分子レベルの金属-半導体界面でも提案されています[78]。第一原理アプローチは磁気トンネル接合にも適用可能であり、それらの量子電子特性が分析されています[79]。 SiO ₂ を流れるリーク電流を計算するには およびSiO _x N _y ベースのMOSFET、研究者はDFTベースおよびNEGFベースの第一原理アプローチを使用しました[80]。このab-initioモデリングは、イットリウムとケイ化ニッケルの原子スケール界面を使用したショットキー障壁の高さ調整のモデリングに適用されます[81]。逆バイアスされたMOS2p–n接合ナノリボンでの直接バンドツーバンドトンネリングは、DFTとNEGFを使用して説明できます[82]。反対の極性のドーパント原子をナノワイヤに組み込む効果は、ツェナーダイオードのような電気的特性を示します[83]。デュアルスピンフィルタリング効果は、ハーフメタリック亜硝酸イットリウムYN ₂ で見ることができます。 [84]。ヘテロ構造生体分子FETの調査は、この電気ドーピング技術を使用して観察できます。量子弾道輸送は、分子レベルでこの電気的ドーピング現象を使用して観察することができます[85]。この理論的アプローチを使用して、電極として単層カーボンナノチューブ（SWCNT）を使用する場合、電気的にドープされた生体分子スイッチが設計されます[86]。 NEGF形式は、グラフェンベースのアンチドット共鳴トンネルダイオードの設計に役立ちます[87]。二次元シリコンp-n接合の原子特性は、第一原理アプローチを使用して実証されています[88]。ダイオードとトランジスタは、あらゆる電子回路の基本的な構成要素です。論理ゲートは、ダイオードとトランジスタを使用して実装することもできます。したがって、どのロジックも第一原理形式を使用して実装できます。

ナノテクノロジーの最近の傾向において、研究者は、原子スケールでのバイオインスパイアードおよび半導体デバイスのさまざまな電気機械的特徴を設計および特性評価することに関心を持っています。これらの生体に触発されたデバイスは、生体適合性が高く、半導体領域と二分子研究分野の間に架け橋を作ります。 CMOS技術はすでに飽和状態になっています。したがって、研究者の目的は、それらの間に橋を架け替えて作成することです。研究者たちは、CMOS技術をDNAやその他の生体分子などの生体に触発された技術と結合するといういくつかの提案をすでに提起しています。 DNAの重要な部分は、アデニン、チミン、シトシン、グアニンの窒素塩基です。これらの窒素塩基は、オリゴヌクレオチドを形成するためにリボース糖とリン酸基との複合体を作りました。このオリゴヌクレオチドは、骨格としてリン酸基を持っています。生体分子とDNAの同定のために動的信号の相関が強化されました[89]。グラフェンナノポアを介したDNA転座、電子伝達、半経験的モデリングも、理論的にはDFTとNEGFを使用して可能になります[90,91,92,93]。 DNA分析は、半経験的モデリングを使用したグラフェン電極でも可能になります[94]。横方向の輸送特性を使用した核酸塩基対の認識も可能になりました[95]。ショットDNAによるコンダクタンスも研究者グループによって提案されています[96]。導電性を高めるために、DNA塩基対へのドーピング手順による電子的増強も組み込まれています[97]。電子プロモーションは、二重プロトン移動プロセスによっても可能になりました[98]。クロストンネリング法によるヌクレオチドの認識も、第一原理アプローチを使用して可能でした[99]。構造的要因がDNAの伝導性を制御し、これは[100]でも議論されています。ナノスケールデバイスは、さまざまなタイプのナノスケールデバイスモデリングに対して巨大な量子輸送現象を示します[56、58、59、101、102、103、104、105、106、107]。これらのデバイスには、FET、ダイオード、および光スイッチが含まれます[60、68、108、109、110、111、112、113、114、115、116]。この提案された研究は、III-V半導体技術で生体分子間の橋渡しをするための1つのアプローチです。生体分子とIII–Vナノ結晶材料のヘテロ構造は、第一原理理論的アプローチを使用して設計することもできます。さらに、窒素と金を共ドープしたグラフェンの電気的および光学的特性を、第一原理形式を使用して調査します。第一原理形式は、量子力学的特性の変化を調べ、有機分子と無機分子のさまざまな電子的または光学的特性を調査するために使用されます。空孔が欠陥のあるグラフェンとMnをドープしたグラフェンをH ₂ に向けて調査することもできます。 S吸収。遷移金属をドープしたAlN単分子層の第一原理アプローチを使用した強磁性の調査も新たな傾向です。単分子層MoS ₂ のドーピング効果を調査 可視光にDFTを使用することは、重要な議論のトピックです。第一原理アプローチに基づいて、Euをドープしたフォスフォレンの電子特性の変化の研究が実証されました。これらのデバイスでは、電気機械量子輸送機能を利用できます[117,118,119,120,121]。

1987年、Destefanisは、イオン注入と熱処理法を使用したHgCdTeの電気的ドーピングを提案しました。焦点面アレイデバイスに多数のピクセルを増やすには、赤外線光起電力検出器が必要でした。イオン注入HgCdTeの使用は、メーカーのこの関心を高めていました。このタイプの光起電性赤外線検出器の製造では、電気ドーピングプロセスが導入されました。 HgCdTeへの電気的ドーピングの効果は、ダイオードの固有の特性がそれに直接関連しているため、著しく現れることが明らかになりました[122]。電気は、Au-PbSコアシェルナノ結晶のプラズモン吸収を強化するためにも提案されました。このドーピング方法は、粒子内電荷移動法を使用して実装されました。この実験では、コロイド状ナノ結晶を太陽電池や光検出器などの基本的な構成要素として使用しました。このアプローチでは、研究者はコロイド状ナノ結晶材料の電子特性を調査し、これらのナノ結晶への電気ドーピングへの新しいアプローチも提案しました。粒子内電荷移動法を使用した固体[123]。このシミュレーション作業のプロセスフローを図3に示します。

QuantumwiseATK-VNLの作業フローチャート図[76]

電気ドーピングのシミュレーション方法

これらの分子デバイスの分析設計には、材料科学の分野における絶え間ない革新と改善が必要です。密度汎関数理論（DFT）と非平衡グリーン関数（NEGF）は、これらのナノスケールデバイスのモデリングの分析の背後にある2つの重要な形式です。第一原理アプローチは、これら2つの形式を組み合わせて、これらのタイプのナノディメンションデバイスを理論的に記述します。拡張ヒュッケル理論（EHT）は、これらの原子デバイスの設計手順を加速するためのもう1つの重要な要素です[126、127]。これらの理論的モデリング手順は、異物粒子のドーピング中の危険性、THz動作周波数の生成など、ナノスケール設計に関するさまざまな問題を防ぐのに役立ちます。このナノスケール設計手順のもう1つの目的は、電子温度を300Kに維持してデバイスを動作させることです。すなわち、室温。 III-V半導体は、さまざまな電子デバイスの設計に使用できる光学的に健全な半導体材料です。シリコン技術に続いて、III-V半導体技術は、ナノスケールの半導体技術に適合するための新たな、そして最も望ましい分野の1つです。生体分子（アデニン、チミン、グアニン、シトシンなど）は、さまざまなナノスケールの電子デバイスを形成するために導入されています。これらの生体分子は、近紫外線領域（中紫外線-B）でシミュレートされるたびに、それらの光曝露も示します。この提案された研究では、第一原理アプローチを使用して、シミュレートされたナノスケールデバイスの電子的特性評価が行われました。この半経験的モデリングは、より高速なシミュレーションを得るためにEHTを使用して実行されます。私たちは、DFTおよびNEGFベースの第一原理形式を使用して、生体分子とともにIII-V材料を設計および特性評価することを目指しています。このバイオインスパイアードナノデバイスのこの半経験的設計は、Quantumwiseソフトウェアシミュレーションパッケージを使用して実行されました。

分子デバイスへの電気的ドーピングを含めるために、同じであるが反対の電荷が分子界面の両端に提供されるべきである。電気ドーピング濃度は、次の手順を使用して計算されます。

電極の長さが約1nmで、断面積が0.5nm×0.5nmであると仮定します。計算を簡単にするために、これらの値を使用しました。スクリプトエディタで、電極計算機のセクションを見つけ、電荷=+0.01と-0.01を割り当てました。この理論的研究では、Atomistic Tool Kit-Virtual Nano-laboratory（ATK-VNL）ソフトウェアパッケージが使用されています。このソフトウェアは、密度汎関数理論（DFT）と非平衡グリーン関数（NEGF）ベースの第一原理アプローチを使用します。この値は、次の式を使用して計算されています。

• 有効ドーピング濃度=ドーピング/容量[1、70、71]

• ドーピング電荷=±xV

  と仮定します。

• volume =length（ a ）×幅（ b ）×高さ（ c ）= a × b × c

• ボリューム=（ a ×10 ^–7 ）×（ b ×10 ^–7 ）×（ c ×10 ^–7 ）cm ⁻³ = abc ×10 ^–21 / cm ³

• 効果的なドーピング=\（\ frac {x} {{abc \ times 10 ^ {-21}}} \）= abc ×10 ²¹ / cm ³ [寸法をnm単位で検討したため]

電極の体積は一定のままであるため、図4から、ドーピング濃度は印加されたバイアス電圧に正比例していることがわかります。これが、電極のサイズを一定に保ったもう1つの理由です。電極のサイズのわずかな変化は、電気ドーピング濃度の大きな変化につながります。したがって、少量のバイアス電圧を変更することにより、第一原理アプローチを使用して、システムに非常に高い電気的ドーピングを生成することができます。

印加バイアス電圧への実効電気ドーピングの依存性

この場合の電気的ドーピングは、主に2つのパラメータに完全に依存します。それらは、（1）有効なドーピング電荷（電極の両端に印加される電荷​​）と（2）ナノスケールデバイスの体積です。したがって、電気的ドーピングの計算式はドーピング/体積として言及されているため、長さ、高さ、幅、またはパラメータのいずれかを変更すると、ドーピング濃度が確実に変更されます。このタイプのデバイス構造の場合、ボリュームは長さ、高さ、幅の関数です[70]。

温度と厚さの両方が、これらのナノスケールデバイスの性能に影響を与えます。自己発熱効果と熱雑音によって発生する熱も、この低次元でこれらのデバイスの量子弾道輸送現象に変化をもたらします。したがって、温度はデバイスのパフォーマンスに重要な役割を果たします。一方、厚さはデバイスの体積に関係し、効果的なドーピングは体積に直接関係するため、厚さもデバイスの性能に影響します。厚さが変化すると、それに応じて体積が変化し、ドーピング濃度が変化します。ドーピング濃度は、これらのナノスケールデバイスのチャネル伝導率、電流-電圧特性などのデバイス性能に直接関係しています。したがって、厚さが変化することでドーピングが変化し、デバイスの性能が確実に変化します[70]。

電気ドーピングの進化

ドーピングとは、半導体に明示的な不純物原子を追加することを意味します。ドーピングとは、真性半導体の電気的特性を変調するために、真性半導体に原子を意図的に追加することです。電極のサイズはスクリプトエディタ内に挿入され、電極の長さを1 nm、断面積を0.5nm×0.5nmとして割り当てました。したがって、公称電荷、すなわち±0.01が2つの電極に設定されます。このスクリプトはジョブマネージャーを介して処理され、電極の計算されたドーピング値が取得されます。この計算では、次の手順を実行します。

• 新しい電卓を開き、「ATK-SE：拡張ヒュッケル（デバイス）」を選択します。

• 「SCFの反復なし」のチェックを外します。

• メッシュカットオフを10ハートリーに保ちます。

• 「ポアソンソルバー」の下で、A（X）およびB（Y）方向に沿って「ノイマン」境界条件を設定します。

図5は、電気ドーピングと従来のドーピングプロセス（FeとNiを使用）の比較研究の統合形式を示しています。この分析実験は、電気的ドーピングの例であるチミンナノチューブ構造について観察されます[70]。チミンナノチューブをドープするためにFeおよびNi原子が選択され、一方、分子は電気的にドープされます[70]。これらすべての結果は、わずかな量のバイアスを印加した場合の従来のドーピングと比較した場合、電気的ドーピングの量がはるかに多いことを示しています。電気的ドーピングのいくつかの例と、従来のドーピングに対するいくつかの利点を表2に示します。これは、電気的にドープされたデバイスと、従来のドーピング方法に従った既存のデバイスモデリングとの比較研究を示します。ドーピングにはいくつかの種類があり、ドーパントが利用可能です。たとえば、従来のドーピング（不純物の添加による）、電気的ドーピング、同時ドーピングなどです。一般に、従来のドーピングプロセスには、p型ドーパントとn型ドーパントの2種類のドーパントが利用できます。それらはしばしばアクセプターおよびドナー不純物原子と呼ばれます。これらの外部不純物は、主に導電性の電気的特性を高めるために半導体材料に添加されます。電気ドーピングプロセスの場合、主にATK-VNLアプローチを使用した分析モデリングでは、外来原子の追加は行いません。これらの明示的な原子ドーピングの代わりに、デバイスの両端（主に電極の端）での電位差の変化に焦点を当てます。別の物質と一緒に半導体をドーピングすることは、同時ドーピングとして知られています。たとえば、CoとNの両方がMoO ₂ に追加された場合 ナノワイヤー、それはこのナノワイヤーの電子性能を向上させます[128,129,130​​]。 pドープポリフラン（PF）分子薄膜の電子的、光学的、形態学的特性などのさまざまな特性が、電気的ドーピング法を使用した広範囲のドーピング比を使用して研究者によって調査されました。ドーピング濃度が≤2％の場合、このPFベースの光起電力デバイスの短絡電流が大幅に増加しました[44]。

従来のFeおよびNiドーピングと一緒にさまざまな電気ドーピングでの比較図

図6のドーピング濃度をよく見ると、2000年以前はドーピング濃度が高かったが、その後は低くなっていることがわかる。したがって、デバイスの性能は向上していますが、ドーピング濃度は非常に急速に低下していることを強調できます[124、128、134、135、136]。

ドーピング濃度の年次グラフ

光学的および電気的ドーピングプロセスも1999年にホルミウムを含むシリコンに導入されました。分子間混成状態も電気的ドーピングプロセスによって支配されます。有機半導体の場合、この分野で他の方法、たとえばポーラロンの形成が証明された場合、分子の電気的ドーピングは相反することがわかった。したがって、この研究の主な目的は、紫外線光電気分光法を使用して、イオン化エネルギーが減少したポーラロン由来の状態を提案することです[134]。強誘電体フィルムコンデンサの電気的ドーピングプロファイルは、静電容量-電圧測定を使用して研究者グループによって調査されました。この実験的研究では、強誘電体の電気ドーピング濃度のプロファイリング効果を、次の効果を使用して調査しました。

• フィールドと空間的に依存する誘電率。

• ショットキープロファイリングのドメインスイッチング分析[135]。

図7から、このタイプのドーピング依存デバイス動作の動作温度を観察できます。グラフは少し複雑ですが、指定されたルールには従いません。したがって、必要な温度は、この操作に使用される材料の種類にのみ依存していると結論付けることができます。

ドーピングの温度

半永久的な電気ドーピング法を使用して、触媒的に水素化されたグラフェンメッシュを使用して、銅/シリカ分子薄層界面での炭素原子の解離のための新しいモデルが提案されました。このプロセスにより、C–N結合を介した安定した電子ドーピングが可能になります。さらに、有機半導体の電気的ドーピングに対するトラップ状態の影響も調査されました。ホスト分子のトラップ状態からドーパント分子への直接電荷移動プロセスは、有機半導体の電気的効果を高めました。このタイプのドーピングプロセスは、導電性を高めます。したがって、トラップ密度とエネルギーもインピーダンス分光法を使用して分析されます[136]。

図8から明らかなように、ウェーハ層の厚さは年々減少しています。時間が長くなるほど、層の厚さが薄くなり、デバイスのパフォーマンスが向上します。

ウェーハの厚さ

電気的にドープおよびアンドープされたポリ（9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-ジイル）（PFO）とテトラフルオロテトラシアノキノジメタン膜を光電子分光法を使用して構成し、それらの電流-電圧特性も調べました。したがって、PFOインターフェース用に空乏領域が作成されたことがわかります。したがって、電流はその後増加しました[137、138]。高温ガスセンサーの場合、このドーピング方法が重要な役割を果たします。 Ga ₂ の導電率とガス感度 O ₃ 薄膜を調べた。このドーピング濃度が表面感度に影響を与えることが観察されました[138]。

図9から、デバイスのカットオフ波長が数十年以内に急激に減少することが観察されます。したがって、デバイスのパフォーマンスが大幅に向上しました。表3は、電気的ドーピングまたは従来のドーピング手順のいずれかに従うデバイスのさまざまな特性を詳しく示しています。

デバイスの波長が短くなります

この調査では、電気ドーピングプロセスを使用してすでに確立されている作業を確認しました。私たちの研究では、ATK-VNL雰囲気でQuantumwiseソフトウェアシミュレーションパッケージを使用した電気ドーピングプロセスを使用しました。このソフトウェアのバージョンは13.8.0です。このソフトウェアシミュレーションは、第一原理形式に基づいており、これもDFTおよびNEGF形式によって強力にサポートされています。 Quantumwiseは、原子スケールのモデリングツールのコンパクトなセットです。これらのツールは、2003年に、一部のソフトウェア専門家と学者によって開発されました。これらのATK-VNLシミュレーションエンジンは、電子構造を計算するだけでなく、原子軌道の相互相関を定式化するのに役立ちます。このプラットフォームは、分子レベルに電気的ドーピングを導入するのに役立ちます。

結論

このレポートは、従来のドーピングと電気ドーピングプロセスの比較を簡単に示しています。電気ドーピングプロセスはそれほど新しいプロセスではありませんが、DFTおよびNEGFベースの第一原理アプローチの助けを借りてこのプロセスを実装すると、この現象に新たなひねりが加えられます。したがって、電気ドーピングは、ナノエレクトロニクスに新しい時代をもたらすために、多くの分子モデリングアプローチで実装されることになっています。この研究では、電気ドーピング現象が重要である理由、分子モデリングアプローチでどのように機能するか、電気ドーピング濃度の計算などを詳しく調べます。したがって、電気ドーピングと従来のドーピングプロセスの比較研究を提供します。アセプロマジン分子。結論として、これは将来、ナノデバイスモデリングの分野でそれ自体が証明されるアプローチの1つであることが強調されています。

データと資料の可用性

すべてのデータと資料は原稿で入手できます。

略語

DFT：

密度汎関数理論

NEGF：

非平衡グリーン関数

OPVC：

有機太陽電池

ATK-VNL：

Atomistixツールキット-仮想ナノラボ

HOMO–LUMO：

最高被占軌道–最低空軌道

CNT：

カーボンナノチューブ

I–V：

電流-電圧

QCA：

量子セルオートマトン

YN ₂ ：

亜硝酸イットリウム

ATK-SE：

Atomistixツールキット-半経験的