压电电子学缓变结的内建电势理论研究-基地物理-兰州大学.PDF

《基地物理》 2016 年第8 期 压电电子学缓变结的内建电势理论研究 1 1 叶琳娜 ，廖苗苗 （1. 兰州大学物理科学与技术学院，2013 级微电子科学与工程专业，甘肃 兰州 730000 ） 摘 要： 本文研究了压电电子学缓变结内电场与电势的分布。我们以 PN 型氮化镓-氧化锌压电 电子学异质结为例，对线性、指数衰减的两种缓变结模型进行了理论分析，给出了一维压电 电子学线性、指数衰减缓变结内建电势的解析结果。本结果对具有压电和半导体特性的耦合 性质压电半导体缓变结器件的研究具有重要的理论指导意义。 关 键 词： 压电电子学缓变结；压电半导体材料 1 引 言 21 世纪微电子工艺不断进步，当器件中最小线宽尺度趋近于 10 nm 时，在维持大规模 [1,2] 工业化生产的前提下，人们希望半导体器件具有多种功能。 此外，柔性电子学也成为目 前研究的热点，此时纳米电子器件与纳米电子学的出现为柔性电子学提供了发展方向。传感 器网络成为产业界的重要驱动力，与柔性电路结合的柔性传感器件成为趋势。特别是作为新 型传感器件的压电电子学器件的发展，利用压电电子学效应对压电半导体纳米线器件进行调 [1-5] 控，发展出系列高性能传感器：应力应变传感器、应变调控化传感器和蛋白质传感器等。 压电电子学器件基于压电半导体材料，对于基本的压电电子学器件单元，如压电PN 结、 压电金属半导体接触，压电异质结，以及压电金属-绝缘体-半导体结，根据半导体器件物理 和压电理论，研究者在肖克莱理论、热电子扩散理论等经典半导体物理模型的基础上，以突 变结为例，通过研究结区的内建电场和内建电势、费米能级、直流特性等，对界面压电电荷 [6-7] 调控压电半导体结区载流子输运进行了系统研究。 其中压电电荷对内建电场和内建电势 的调控是压电电子学器件研究的重点，此外，从实际器件从发的研究中，一些扩散工艺，需 要采用缓变结进行描述。[8-10] 本文在压电电子学理论基础上，研究了压电电子学线性和指数衰减型缓变结的电场与电 势分布。以 PN 型氮化镓-氧化锌压电电子学异质结的一维简化模型为例，计算了线性和指 数衰减型缓变结的内建电势解析解。此类对理想模型修正的方法，可用来研究研究压电电子 学缓变结器件的物理特性，并且可以应用于考虑纳米材料的小尺寸效应，表面效应、量子尺 寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等理化性质对内建电势影响的研究，并指导压电 [10] 电子学器件的进一步实验研究。 —————— 基金项目：兰州大学物理基地班创新基金和兰州大学创新创业行动计划资助项目。 通讯作者：叶琳娜，女，甘肃省白银市人，指导教师为张岩教授。 联系方式：E-mail: 2874795893@ ，Tel.: 1 《基地物理》 2016 年第8 期 2 描述压电电子学缓变结的主要方程 为了研究压电电子学器件中包含的压电半导体材料，比如氧化锌和氮化镓，本文基于已 经发展的压电电子学理论，考虑了半导体物理和压电理论两方面的基本方程来讨论压电电子 学效应。为此，模型用一个耦合方程描述其基本效应。对于压电电子学缓变结的模型，压电 电子学的基本方程包括泊松方程，电流密度方程和连续性方程，这些方程用于描述半导体中 载流子的传输行为,此外，基本方程还需要包括描述材料受到应变时的压电现象的压电方程。 在应变下，缓变结界面处产生的压电电荷，改变了内建电势。因此，与突变结类似，压电电 荷可以调控纳米线中通过缓变结