電気的ドーピングナノスケールデバイスの第一原理調査

概要

ドーピングは半導体デバイス製造の鍵となる特徴である。過去数十年間で半導体物理学分野においてドーピング制御の多くの戦略が発見されてきた。電気的ドーピングは、電荷集団、電子特性、伝送特性を効果的に調整するための有望な戦略である。このドーピングプロセスは高温リスクと異物粒子汚染リスクを低減する。過去数十年間で電気的ドーピング特性研究に多くの実験的・理論的努力が注がれてきた。本稿ではまず、電気的ドーピングの歴史的ロードマップを簡潔にレビューする。次に、分子レベルでの電気的ドーピングについて議論する。分子レベルでの実験的研究をレビューし、電気的ドーピングに基づく多様な研究作品をレビューする。さらに、電気的ドーピングの重要性とその意義を明らかにする。また、電気的ドーピングの方法を説明する。最後に、電気的ドーピングと従来ドーピング手法の簡潔な比較研究で結ぶ。

はじめに

ドーピングは、特に半導体において、さまざまな有機・無機材料の物理的特性と応用を決定する上で重要な役割を果たす。この手法は半導体物理学産業で成功裏に証明されてきた。少量の不純物添加が材料のドーパント濃度と電気伝導度を決定する。理想的ドーパントはホスト材料への理想的溶解度を示し、低欠陥準位を示すことが観察されている。しかし、従来型ドーピングプロセスには、デバイス性能に強力に影響するドーピングボトルネックなど、いくつかの基本的問題がある。この種の性能劣化はワイドバンドギャップ材料で特に深刻に観察される。

例えば、高伝導帯ミニマデバイスではn型ドーピングが困難であり、低価電子帯マキシマデバイスでも複雑である[1, 2]。したがって、ワイドバンド半導体でのバイポーラドーピングプロセスに問題が生じる。p型またはn型ドーパントのいずれかは挿入可能だが、両方同時には不可能[3]。この問題を補うため、ドーピング領域に実現可能な解決策が組み込まれた。この提案アプローチは電気的ドーピングと呼ばれ、バイポーラドーピングに依存しない。電気的ドーピングはバイポーラドーピング問題解決のため導入された。1980年代後半から1990年代にかけて、研究者らはIII-V化合物であるGaN単結晶の成長が困難であることを観察。1990年代後半でも商業用GaN基板は入手不能だった。理由は、サファイア基板とGaN半導体の格子定数差と熱膨張係数差が、サファイア基板上への高品質GaN系エピタキシャル層成長を困難にしたため。一方、高n型バックグラウンド濃度と低p型ドーピング活性の組み合わせにより、p型GaN半導体取得はほぼ不可能だった。この問題は1998年、Rudazによる電気的ドーピング現象で大幅に克服可能。1980年代後半、科学者らはGaNやAlNバッファ層成長の重要性を発見し、低温でのGaNベースLED実証につながった。成長後熱アニールプロセスがGaNバッファ層のp型ドーパント活性化を助けた。これら進歩により、ワイドバンド光電子デバイス向けIII-V窒化物半導体材料システムのデバイス開発が加速[4]。GaN基板と成長後熱アニールプロセスもこの技術で重要役割[5-7]。過去数十年、プラズマエッチング技術が超大規模統合技術(ULSI)でパターンサイズ縮小に重要役割。これがナノテクノロジー進化につながった。同時にプラズマ技術は、電荷蓄積、光子UV放射、ナノスケールデバイスへのエッチング性能など固有問題を抱えていた。これら問題除去と実用ナノスケールデバイス製造のため、ニュートラルビームエッチングプロセスが導入された。S. Samukawaがニュートラルビーム源を導入し、トップダウンとボトムアップ処理の組み合わせによる将来ナノスケールデバイス展望を語った。ニュートラルビーム技術は原子的に使用されるためダメージフリーエッチングを実行。この技術で無機・有機材料の表面改質も可能。将来ナノデバイス実用製造技術の有力候補[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)プラズマがあり、このプラズマ技術実装の鍵となる手法。しかし、以下の問題が関連：

• さまざまな放射が正イオンと電子の電荷蓄積を損傷[8-12]。
• 紫外線(UV)、真空紫外線(VUV)放射もナノスケールデバイスを損傷。
• X線光子もプラズマエッチング問題でナノスケールデバイス破壊を引き起こす[13-21]。
• 電圧発生による電荷蓄積でイオン軌道歪曲、薄いゲート酸化膜破断も誘発。
• さらに、高密度プラズマエッチングから放射されるUV/VUV光子が結晶欠陥生成。

これら問題がナノスケールデバイス電気特性を強く劣化。高性能ニュートラルビームエッチングシステムで回避可能。S. Samukawaグループが将来ナノスケールデバイス究極トップダウンエッチング実現のため高効率ニュートラルビーム源を発明。新ニュートラルビーム源使用で50 nmからサブ10 nmまでの将来ナノスケールデバイス究極エッチングプロセス導入。

本稿構成：まず電気的ドーピング歴史的ロードマップを簡潔レビュー。次に、このドーピングプロセスが分子レベルにも影響するため、分子レベル実験作業をレビュー。その後、電気的ドーピングプロセス関連多様な研究作品を簡潔議論。電気的ドーピング重要性を以降セクションで記述。さらに電気的ドーピングプロセス方法を説明。最後に、従来ドーピングと電気的ドーピングの比較研究簡潔議論で結ぶ。

電気的ドーピングの歴史的ロードマップ

本研究は主に分子レベル電気的ドーピングに集中するが、まず従来ドーピング初期歴史をレビューすることが重要。1930年、少量不純物存在により半導体伝導度が影響受けることが発見[2, 22, 23]。1931年、半導体材料に初量子力学形式主義適用[24]。p-n接合プロトタイプが1938年Davydovにより実証[25, 26]。少数キャリア重要性説明。Woodyardが「ドーピング」概念導入。純ゲルマニウムにリン、ヒ素、アンチモン少量組み込み。不純物添加でゲルマニウム電気特性向上[27]。Shockleyが1949年歴史的発明「接合トランジスタ」提案。半導体産業幾何学変革[28]。バイポーラ接合発明が半導体産業進化に津波をもたらしたが、トランジスタ関連問題も存在。例えば、2つのp-n層を薄い空間で背中合わせ接合必要。この問題は1950年ベル研究所「成長接合トランジスタ」発明で二重ドーピング法により解決[29, 30]。「二重ドーピング」プロセスでは、溶融n型ゲルマニウムにガリウム少量添加でp型変換。その後アンチモン少量添加で再びn型変換[31]。2種ドーパント背中合わせ添加。1950年代初期に「コドーピング」と呼ばれる別種ドーピング進化。p-n接合は半導体「コドーピング」と見なされる。分子レベルドーピングも電気的ドーピング重要部分。1998年、RudazがIII-V半導体材料クラック低減による電気的ドーピング効果最大化手法提案[4]。2002年、Zhouらが電気的ドーピングプロセス使用で真空蒸着透明有機発光ダイオード(低電圧デバイス)実証。電気的ドーピングは有機デバイス性能向上に重要役割。電気的ドーピングキャリア注入が有機LED(OLED)で発生。輸送層低駆動電圧示す、一般に電極界面末端のラジカルアニオン、カチオン、オーミックコンタクトによる。超低電圧OLEDがp-i-n構造で2.6 V/100 cd/m²で真空蒸着。したがって、本質発光層がp型とn型ワイドバンドギャップ輸送層間にサンドイッチ。有機分子膜電気的ドーピング活動がいくつか研究で強調[32-42]。

これは原子スケールデバイス設計アプローチでのイオンボンバードプロセス回避手順の一つ。GaoとKahn[43]が分子薄膜へこのプロセス実証。ポリカーボネートポリマーとトリス(4-ブロモフェニル)アミニウムヘキサクロロアンチモン酸塩(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)正孔輸送層をF4-TCNQでpドープ等化合物使用し、各種OLED化合物デバイス層製造成功[45, 46]。有機太陽電池(OPVC)にも使用。分子レベルチューニングとキャリア注入によるデバイス効率向上にも使用。分子膜伝導度がn型とp型ドーピングで大幅増大。無機半導体オーミックコンタクトに広範使用[43-46]。現在、有機LEDが分子ナノテクノロジー分野で効果的地位占有。III-V半導体で、このドーピングプロセスでn型コンタクトとn型外部分子挿入可能。電気的ドーピングは分子インターフェース層での電気抵抗、キャリア挿入、キャリア再結合現象実現支援。OPVCは電気的ドーピング現象最も関連性高い応用。OPVCレベルアライメントプロセスで、このプロセスがセル伝導度作用。キャリア挿入最終的増大。メタ有機インターフェースでは、この手法開始し量子トンネリング伝送可能な枯渇層配列へ導く。有機・無機コンタクト製造に効果的プロセス。分子薄膜電荷中立レベルシフトも支援。さらに、外来分子約0.1–1%を分子インターフェースにこの手法で導入可能。このドーピング濃度レベルは従来ドーピング法で大きな数。高ドーピング濃度が縮退半導体生成支援。高ドーピング濃度がドーピング誘起バンド後続形成防止[34, 43-46]。

電気的ドーピングプロセスとその重要性

電気的ドーピング手法で選択される主要かつ最重要技術は、このプロセスでフェルミ準位制御。したがって、過去数十年無機・有機半導体で高い人気。電気的ドーピングは近年、生物模倣ナノテクノロジー分野で特別注目集める。電気的ドーピングは分子膜への電子電荷挿入または受容プロセス。このプロセス鍵特徴は、従来n型とp型ドーピングがバイポーラリティ達成に制約されないこと。従来電離プロセスがこの種電気的ドーピングプロセスに適用されない[43-46]。電気的ドーピング手順は、ナノスケールデバイスモデリングで一般的に不可能なイオンボンバード回避のため導入。

このドーピング手法主に2ステップで決定：

• 第1ステップ：ドナーからアクセプタ(分子内)への単一電子移動。
• 第2ステップ：基底状態整数電荷移動錯体解離に関連手法。

したがって、電気的ドーピングはフェルミ準位を最高占有(価電子帯)分子準位または最低非占有(伝導帯)分子状態へシフトさせること以外何物でもないと確認。自由キャリアがρ、N_A⁻が電離ドーパント密度、N_Aが中性ドーパント濃度なら、自由キャリア密度は式(1)で定式化。E_AとE_Fはアクセプタとフェルミ準位エネルギー、K_Bは絶対温度Tでのボルツマン定数[124]。

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

このドーピング技術はAtomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab(ATK-VNL)で二探針設計技術使用し実施。バイオ模倣原子デバイス数がナノテクノロジー核心。これらデバイスは超高THz周波数動作。計算周波数約THz。例：GaAs-アデニン-GaAs半導体トンネル接合輸送特性記載論文で動作周波数約25 THz報告[125]。

ドーピングは純半導体材料へ外来不純物意図的導入で電気性能向上目的。電気的ドーピングプロセス重要性は以下：

電気的ドーピング手順は従来ドーピングプロセスと異なる。従来ドーピングでは半導体材料を外来ドーパントまたは不純物でドープ。高温プロセス。この高温ドーピングプロセスで結合破断機会あり。電離法もこのドーピング実装に採用。一方、電気的ドーピングプロセスは不純物と無関係。この手順ではデバイス両端に逆電位電荷誘起。したがってナノデバイス中央分子領域に電位降下生成。この方法はナノデバイス設計に有用、電離法がナノ材料構造変形生成可能性あるため。従来ドーピングではいくつか問題発生可能。主要問題を表1列記。従来と電気的ドーピング差異を表1フレーム、電気的ドーピングがナノスケールデバイス製造で重要である理解支援。

表1は分子レベルで電気的ドーピング重要な理由示す。熱発生、原子間/分子間反応回避、あらゆるナノスケールデバイス設計手順と互換性。

本稿では電気的ドーピングプロセス主に強調。このドーピング手法はナノスケールデバイス製造、主に分子薄膜調製に有用。この方法で電荷キャリア挿入が分子デバイス両端で発生。このプロセスは図1にも描写。この図は概念的電気的ドーピング手法シンプル表現。電極両端子でバイアス変動による2つ等しい逆電荷キャリア挿入による電位降下生成示す。電極は分子デバイス重要部分。電荷挿入はこれら電極通じて実行。等しい逆電荷が中央分子領域内に電位降下生成。この電位降下が2電極間、すなわち中央分子部分通じた電荷伝導駆動力作用。これが電気的ドーピング実際プロセス。今日主にナノスケールデバイス解析/理論モデリングで使用、有機・無機分子薄膜調製にも有用。

図1は電極両端子バイアス変動による課された電位降下により、電子または電荷キャリアが一方電極から他方向へ流れる様子示す。

分子レベルでの電気的ドーピング

最近研究者らは制御ドーピング手順に関心。したがって電気的ドーピング手順が無機半導体制御ドーピング導入支援。電気的ドーピング導入により半導体電気特性チューニング支援。このドーピング現象は化学変化と共に半導体光学ギャップチューニング支援。低コストプロセスでフレキシブル基板にも有用。

電気的ドーピング手順はナノデバイス両端間電位差生成手法。この理論作業[47-52]で、二探針電極経由でナノデバイス両端に異極性同値電圧提供し配置。この理論プロセス模式図を図2示す。

この理論アプローチは高ドープ正(p+)と負(n+)領域作成関与、有機・無機材料両方ナノ半導体デバイス設計重要。この手順で電荷キャリア分子インターフェース注入。電気的ドーピングは無機薄膜より有機分子制御プロセス。したがって従来p型n型ドーパント必須挿入ではない。最終的に電気的ドーピングがキャリア注入増加と駆動電圧低下導きデバイス効率上昇。電気的ドーピング手法はホスト分子への電子伝送または電子受容注入のみ依存。

アデニンとチミン生体分子ヘテロ接合鎖がGaAsナノシートナノポア通過時ガスセンシング[47]。この場合も電気的ドーピングがナノシート2部分誘起。効果的インダクタンスにより、生体分子鎖が吸着外来ガス分子センシング能力示す[47]。ナノデバイス設計も分子吸着扱う。例：32℃でZnOナノワイヤへ揮発性分子吸着調査[53]。DFTとNEGF形式主義ベース第一原理アプローチで、さまざま構造修正用いナノFET設計可能。これらナノFETさまざま特性観察、例：スケーラビリティ評価、HOMO-LUMOギャップ、最大取得電流、RF性能、リニアリティ調査[54-61]。共役コオリゴマー基盤分子ダイオード設計可能DFT-NEGF形式主義。コオリゴマー2電極接続し分子ダイオード形成。エネルギーギャップ、I-V特性、空間配向分析[62]。第一原理アプローチをカーボンナノチューブ(CNT)由来7種異なる接合幾何学最適化ナノ構造適用[63]。DFT-NEGF式ベース第一原理アプローチで各種ダイオード実装可能。例：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、双極スピンダイオード、ジブロック分子ダイオード、バックワードダイオード特性[64-68]。

電気的ドーピングベース分子レベル研究作品

分子レベル電気的ドーピングはナノエレクトロニクス重要役割。研究者らナノスケールデバイス設計手順へこのドーピング手順導入に高関心。このドーピング効果が異なる分子レベルアライメント間インターフェース支援。有機ヘテロ接合分子レベル研究だけでなく無機材料にも受容可能。このドーピングがダイポールと分子インターフェース比較位置同等移動支援インターフェース形成。したがって電気的ドーピングプロセスは分子インターフェースアライメント受容可能。

従来電子デバイス微細化は現在最新興研究領域。研究者らナノスケールデバイス性質調査研究動機付けいくつかアプローチ存在。最重要アプローチは解析ナノ構造設計シミュレーション。このシミュレーション手順で多く重要デバイス設計可能、取得結果分析[47, 55, 56]。結果により研究者らさまざまシミュレーションパラメータとナノスケール解析モデル異側面修正可能。これらシミュレーション手法中、第一原理アプローチが最効果的かつ人気プロセス。電子デバイス現代化が研究者ら従来デバイス修正版革新促進。例：従来半導体デバイスを生体分子使用設計可能。生体分子では一般にアデニン、チミン、グアニン、シトシン等ヌクレオベース考慮、DNA基本構成ブロック[47, 55]。無機半導体デバイス構築はナノテクノロジー分野で一般的。しかし生体分子主使用有機電子デバイス構築困難。これら半導体はドーピング特性依存特徴付け。不純物ドーピングない半導体は真性/純粋半導体。外来原子/分子ドープ半導体は不純/外来半導体[55-60]。

現在ナノスケールデバイス設計は研究者ら挑戦的側面。ダイオード、トランジスタ、論理ゲート分子レベル実装済み。ナノバイオ半導体デバイス分子レベル実装スコープ別途存在。一部生体分子デバイス既に生物医学分野導入。これらナノデバイス理論設計はAtomistix-Tool KitとVirtual Nano Laboratory(ATK-VNL)ベースQuantumwiseソフトウェアシミュレータバージョン13.8.0使用実装[69-76]。量子セルラーオートマトン(QCA)ロジックもDFT-NEGFベース第一原理アプローチで理論実装可能[77]。生体分子使用さまざま論理ゲート設計可能、理論的含意結果もMulti-Sim、SPICE、他シミュレータで検証[70]。電気的ドーピングプロセスは最適電流取得導入キーフィーチャー。分子チャネルトンネル電流はバック散乱効果等さまざま要因影響。このドーピングプロセス実装で従来ドーピング関連問題回避可能。金属-半導体界面分子レベルショットキー障壁チューニングダイポール結合モデル提案[78]。第一原理アプローチ磁気トンネル接合適用可能、量子電子特性分析[79]。SiO₂とSiO_xN_yベースMOSFETリーク電流計算で研究者らDFT-NEGFベース第一原理アプローチ使用[80]。イットリウムとニッケルシリサイド原子スケール界面用いたショットキー障壁高さチューニングモデリングにab-initioモデリング適用[81]。逆バイアスMoS₂ p-n接合ナノリボン直接バンド間トンネリングDFT-NEGF記述可能[82]。ナノワイヤへ逆極性ドーパント原子組み込み効果がツェナーダイオード様電気特性示す[83]。半金属イットリウム亜硝酸塩YN₂でデュアルスピンフィルタリング効果観察[84]。ヘテロ構造生体分子FET調査電気的ドーピング技術使用観察可能。量子弾道伝送電気的ドーピング現象分子レベル観察可能[85]。単壁カーボンナノチューブ(SWCNT)電極使用時電気的ドーピング生体分子スイッチ設計[86]。NEGF形式主義グラフェンベース反ドット共鳴トンネルダイオード設計支援[87]。2次元シリコンp-n接合原子的特性第一原理アプローチ実証[88]。ダイオードとトランジスタは電子回路基本構成ブロック。論理ゲートもダイオードトランジスタ実装可能。したがってあらゆるロジック第一原理形式主義実装可能。

ナノテクノロジー最近トレンドで、研究者らバイオ模倣・半導体デバイスさまざま電気機械的特性原子スケール設計特性評価関心。バイオ模倣デバイス高生体適合性、半導体領域と生体分子研究領域架橋。CMOS技術飽和済み。研究者目的は置換と架橋。DNAや他生体分子等バイオ模倣技術とCMOS技術結合へ研究者ら複数提案済み。DNA重要部分：アデニン、チミン、シトシン、グアニン窒素塩基。これら窒素塩基がリボース糖とリン酸基と複合体形成しオリゴヌクレオチド形成。オリゴヌクレオチドはリン酸基バックボーン。生体分子とDNA識別のため動的信号相関強化[89]。グラフェンナノポア通過DNAトランスロケーション、電子伝送、半経験的モデリングDFT-NEGF理論可能[90-93]。グラフェン電極使用半経験的モデリングでDNA解析可能[94]。横方向伝送特性用いた核酸塩基対認識可能[95]。ショットDNA伝導度研究者グループ提案[96]。ドーピング手順DNA塩基対電子増強導入し伝導度向上組込[97]。二重プロトン移動プロセスで電子促進可能[98]。クロスタネル法ヌクレオチド認識第一原理アプローチ可能[99]。構造因子DNA伝導度制御、[100]議論。ナノスケールデバイスさまざまナノスケールデバイスモデリングタイプで巨大量子伝送現象示す[56, 58, 59, 101-107]。デバイス含む：FET、ダイオード、光スイッチ[60, 68, 108-116]。提案作業は生体分子とIII-V半導体技術架橋アプローチ一つ。生体分子とIII-Vナノ結晶材料ヘテロ構造も第一原理理論アプローチ設計可能。さらに、窒素と金コドープグラフェン電気的光学的特性第一原理形式主義調査。第一原理形式主義量子力学的特性変化発見、有機無機分子さまざま電子的光学的特性調査用いる。空孔欠陥グラフェンとMnドープグラフェンH₂S吸収調査可能。遷移金属ドープAlN単層強磁性調査第一原理アプローチ新興トレンド。DFT用いた単層MoS₂ドーピング効果可視光重要議論トピック。Euドープホスホレン電子特性変化研究第一原理アプローチ実証。電気機械的量子伝送特性これらデバイス利用可能[117-121]。

1987年、Destefanisがイオン注入と熱処理法用いたHgCdTe電気的ドーピング提案。焦点面アレイデバイス大量画素化のため赤外線光起電力検出器必要。HgCdTeイオン注入使用で製造業者関心増大。光起電力赤外線検出器製造タイプで電気的ドーピングプロセス導入。HgCdTe電気的ドーピング効果がダイオード固有特性直接関連で顕著現れること判明[122]。電気的ドーピングAu-PbSコアシェルナノクリスタルプラズモン吸収向上提案。ドーピング手法粒子内電荷移動法実装。実験でコロイドナノクリスタル使用、太陽電池、光検出器等基本構成ブロック。アプローチでコロイドナノ結晶材料電子特性調査、粒子内電荷移動法用いたナノ結晶固体電気的ドーピング新規アプローチ提案[123]。シミュレーション作業プロセスフロー図3示す。

電気的ドーピングシミュレーション手法

分子デバイス解析設計には材料科学分野継続的革新改善必要。密度汎関数理論(DFT)と非平衡グリーン関数(NEGF)がこれらナノスケールデバイスモデリング解析背景2鍵形式主義。第一原理アプローチこれら2形式主義組合せ理論的記述ナノ次元デバイス。拡張ヒュッケル理論(EHT)もこれら原子デバイス設計手順加速鍵要因[126, 127]。これら理論モデリング手順がナノスケール設計関連さまざま問題防止、例：外来粒子ドーピング危険、THz動作周波数生成等。このナノスケール設計手順別目的：電子温度300 K、すなわち室温維持デバイス動作。III-V半導体光学的優良半導体材料、各種電子デバイス設計使用可能。シリコン技術後、III-V半導体技術はナノスケール半導体技術適合新興最望ましい領域一つ。生体分子(アデニン、チミン、グアニン、シトシン等)導入しさまざまナノスケール電子デバイス形成。生体分子中間UV領域(中UV-B)シミュレーション時光学的露出示す。提案作業で第一原理アプローチ使用シミュレートナノスケールデバイス電子的特性評価。半経験的モデリングEHT使用高速シミュレーション取得。DFT-NEGFベース第一原理形式主義用いIII-V材料と生体分子設計特性評価目指す。バイオ模倣ナノデバイス半経験的設計Quantumwiseソフトウェアシミュレーションパッケージ実施。

分子デバイスへ電気的ドーピング導入には、分子インターフェース両端へ同一逆電荷提供必要。電気的ドーピング濃度以下手順計算：

電極長約1 nm、断面積0.5 nm × 0.5 nmと仮定。計算簡略化でこれら値採用。スクリプトエディタで電極計算機セクション位置特定、charge = +0.01と−0.01割り当て。理論研究でAtomistic Tool Kit-Virtual Nano-laboratory(ATK-VNL)ソフトウェアパッケージ使用。DFTとNEGFベース第一原理アプローチ使用。値以下式計算：

• 効果的ドーピング濃度 = ドーピング/体積 [1, 70, 71]
• ドーピング電荷 = ±x Vと仮定
• 体積 = 長さ(a) × 幅(b) × 高さ(c) = a × b × cと仮定
• 体積 = (a × 10^–7) × (b × 10^–7) × (c × 10^–7) cm⁻³ = abc × 10^–21/cm³
• 効果的ドーピング = x/(abc × 10^–21) = abc × 10²¹/cm³ [nm単位寸法考慮]

電極体積一定なので図4から、ドーピング濃度が印加バイアス電圧に直接比例すること観察。電極サイズ一定維持理由。電極サイズ微小変化が電気的ドーピング濃度大変化導く。わずかバイアス電圧変化で第一原理アプローチ使用しシステムへ非常に高電気的ドーピング生成可能。

この場合電気的ドーピング主に2パラメータ依存。(1) 効果的ドーピング電荷(電極両端印加電荷)、(2) ナノスケールデバイス体積。したがって電気的ドーピング計算式はドーピング/体積、長さ、高さ、幅いずれかパラメータ変更でドーピング濃度確実変更。デバイス構造タイプで体積は長さ、高さ、幅関数[70]。

温度と厚さ両方これらナノスケールデバイス性能影響。自己発熱効果と熱雑音発生熱もこれらデバイス低次元量子弾道伝送現象変更。温度がデバイス性能重要役割。一方、厚さはデバイス体積関連、効果的ドーピング直接体積関連、厚さもデバイス性能影響。厚さ変更で体積変更結果ドーピング濃度変更。ドーピング濃度直接デバイス性能関連、例：チャネル伝導度、I-V特性等。したがって厚さ変更でドーピング変更、確実にデバイス性能変更[70]。

電気的ドーピング進化

ドーピングは半導体へ明示的不純物原子添加。ドーピングは真性半導体電気特性変調目的で真性半導体へ原子意図的添加。電極サイズスクリプトエディタ挿入、電極長1 nm、断面0.5 nm × 0.5 nm設定。名目電荷±0.01を2電極設定。スクリプトジョブマネージャ処理、電極計算ドーピング値取得。計算追うステップ：

• 新規計算機開き「ATK-SE: Extended Hückel (Device)」選択。
• 「No SCF iteration」チェック外す。
• メッシュカットオフ10 Hartree維持。
• 「Poisson Solver」下「Neumann」境界条件をA(X)とB(Y)方向設定。

図5に電気的ドーピングと従来ドーピングプロセス比較研究統合形示す(FeとNi使用)。この解析実験はチミンナノチューブ構造観察、電気的ドーピング例[70]。FeとNi原子選びチミンナノチューブドープ、一方分子電気的ドーピング[70]。これらすべて結果、わずか印加バイアスで電気的ドーピング量が従来ドーピング比較でより多いこと示す。電気的ドーピング例示作品と従来ドーピング優位性いくつか表2議論。既存従来ドーピング法追随デバイスモデリングと電気的ドープデバイス比較研究。ドーピングタイプとドーパントいくつかタイプ、例：従来ドーピング(不純物添加)、電気的ドーピング、コドーピング。一般に従来ドーピングプロセス2種ドーパント、p型ドーパントとn型ドーパント利用可能。アクセプタとドナー不純物原子と呼ばれる。半導体材料電気特性主に伝導度向上目的で外来不純物添加。電気的ドーピングプロセスでは、主にATK-VNLアプローチ解析モデリング用、外来原子添加進行せず。代わりに明示的原子ドーピングでなく、デバイス両端(主に電極端)電位差変化焦点。半導体他物質ドーピングはコドーピング。例：CoとN両方MoO₂ナノワイヤ添加で電子性能向上[128-130]。電気的ドーピング法用い広範ドーピング比率でpドープポリフラン(PF)分子薄膜電子的光学的形態的特性研究者調査。ドーピング濃度≤2%時、PFベース光起電力デバイス短絡電流大幅増加[44]。

図6ドーピング濃度注目観察: 2000年以前ドーピング濃度高、以降低下。デバイス性能向上したがドーピング濃度急速減少強調可能[124, 128, 134-136]。

光学的電気的ドーピングプロセス1999年ホルミウム用いシリコン導入。分子間混成状態も電気的ドーピングプロセス支配。有機半導体で分子電気的ドーピングが他方法証明時相反発見、例: ポラロン形成。主目的: 紫外光電子分光法用い電離エネルギー低下ポラロン派生状態提案[134]。強誘電体フィルムキャパシタ電気的ドーピングプロファイル研究者グループ容量-電圧測定調査。実験研究で強誘電体電気的ドーピング濃度プロファイリング効果以下効果用い調査:

• 電場と空間依存誘電率。
• ショットキープロファイリングドメインスイッチング解析[135]。

図7からこのタイプドーピング依存デバイス動作動作温度観察。グラフやや複雑、特定規則従わない。したがって動作温度要件はこの動作用いられる材料タイプのみ依存と結論。

銅/シリカ分子薄層界面炭素原子解離新モデル提案、触媒水素化グラフェンメッシュ使用半永久的電気的ドーピング法。C-N結合通じ安定電子ドーピング可能。さらに有機半導体電気的ドーピングトラップ状態効果調査。ホスト分子トラップ状態からドーパント分子へ直接電荷移動プロセスが有機半導体電気的効果上昇。導電率向上。トラップ密度とエネルギーもインピーダンス分光法分析[136]。

図8からウェハ層厚さ年次減少明確観察。時間経過と共に層厚さ減少、デバイス性能向上。

電気的ドープとアンドープポリ(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光電子分光法構成、I-V特性調査。PFOインターフェース枯渇領域生成観察。電流その後増加[137, 138]。高温ガスセンサでこのドーピング手法重要役割。Ga₂O₃薄膜伝導度とガス感度調査。ドーピング濃度表面感度影響観察[138]。

図9からデバイスカットオフ波長数十年で急減観察。デバイス性能大幅向上。表3で電気的ドーピングまたは従来ドーピング手順追随デバイス異特性詳細。

本調査で電気的ドーピングプロセス使用済確立作品レビュー。我々作業でQuantumwiseソフトウェアシミュレーションパッケージATK-VNL雰囲気電気的ドーピングプロセス使用。ソフトウェアバージョン13.8.0。DFT-NEGFベース第一原理形式主義強力支持シミュレーション。Quantumwiseはコンパクト原子スケールモデリングツールセット。2003年ソフトウェア専門家とアカデミック共同開発。ATK-VNLシミュレーションエンジン電子構造計算、原子軌道相互相関定式化支援。プラットフォーム分子レベル電気的ドーピング導入支援。

結論

本報告従来ドーピングと電気的ドーピングプロセス簡潔比較説明。電気的ドーピングプロセスそれほど新規プロセスでないが、DFT-NEGFベース第一原理アプローチ支援実装が新展開もたらす。したがって電気的ドーピング多く分子モデリングアプローチ実装しナノエレクトロニクス新時代切拓く。本研究電気的ドーピング現象緊密検討: 重要性理由、分子モデリングアプローチ動作仕組み、電気的ドーピング濃度計算等。従来ドーピングと電気的ドーピング比較研究アセプロマジン分子提供。結論: 将来ナノデバイスモデリング分野自己証明アプローチ一つ強調。

データおよび資料の入手可能性

すべてのデータと資料は原稿に含まれる。

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 Tool Kit-Virtual Nano-Laboratory

HOMO–LUMO:

最高占有分子軌道–最低非占有分子軌道

CNT:

カーボンナノチューブ

I–V:

電流-電圧

QCA:

量子セルラーオートマトン

YN₂:

亜硝酸イットリウム

ATK-SE:

Atomistix Tool Kit-Semi-empirical