Новый метод позволяет создавать pn-переходы в монокристаллических нанопроводах

Конфигурация p-n-перехода создается путем легирования полупроводникового кристалла легирующими примесями p-типа в одной области и легирующими примесями n-типа в другой области. p-n переходы являются основными строительными блоками солнечных элементов, светодиодов и других полупроводниковых транзисторов.

Иллюстрация относительной энергии пласта как функции скорости скручивания & # 947; легированной кремниевой нанопроволоки для легирующих примесей Sb и B в различных атомных точках. Не деформированные и скрученные нанопроволоки Si показаны на осевом виде. (Изображение предоставлено компанией Science China Press)

Кроме того, ожидается, что p-n-переходы в наноструктурах будут основными элементами нано-устройств следующего поколения. Однако сильное притяжение между примесями n-типа и примесями p-типа заставляет их образовывать нейтральные пары. Следовательно, p-n-переход не работает. Чтобы избежать такого притяжения между легирующими добавками р-типа и легирующими добавками n-типа, создаются гетероструктуры, в которых один полупроводниковый материал легирован легирующими добавками р-типа, а другой легирован легирующими добавками n-типа, а поверхность раздела между двумя различные полупроводниковые материалы служат энергетическим барьером между легирующими примесями p-типа и легирующими веществами n-типа.

Фактически, использование гетероструктур представляет собой модель для материального дизайна p-n-перехода. Теперь стало возможным формировать сопоставимые конфигурации p-n-перехода для гетероструктур на основе нанопроводов, например, коаксиальных нанопроводов ядро-оболочка. Однако наноструктурные гетероструктуры имеют ряд ограничений. Например, производство нанопроволок типа ядро-оболочка обычно включает двухэтапный процесс, который приводит к дополнительным затратам. Обычно оболочка приобретенной нанопроволочной гетероструктуры является поликристаллической. Такой дефект усугубляется при перевозке перевозчиков. Кроме того, интерфейс между оболочкой и ядром также вводит вредные глубокие центры, которые сильно затрудняют эффективность устройства.

Возможно ли создать p-n-переходы с монокристаллическими нанопроводами? Честно говоря, ответ будет «Нет», если кто-то думает о проблеме инстинктивно. Конечно, так же, как объемная легирующая примесь р-типа и легирующая добавка n-типа в монокристаллической нанопроволоке с кодопированием также испытывают сильное кулоновское притяжение. Как можно преодолеть такое влечение без интерфейса? Требуется эффективная модуляция / контроль областей пространственного заполнения, что означает пространственное распределение легирующих примесей.

Действительно, это одна из давних и основных проблем, касающихся легирования в полупроводниках. С точки зрения материаловедения это можно объяснить отказом традиционных методов, таких как гидростатические, одноосные и двухосные напряжения, от модуляции пространственного распределения легирующих примесей. Однако все эти обсуждаемые искажения являются однородными, могут ли использоваться некоторые неоднородные, такие как скручивание? На самом деле, скручивание структур означает фокус недавних исследований в области физики конденсированных сред в низких измерениях.

В новой статье, опубликованной в National Science Review группа исследователей из Пекинского педагогического университета, Гонконгского китайского университета и Пекинского исследовательского центра вычислительной науки описывают свои теоретические достижения нанопроволок Si с кодопедом в скручивание. Они используют микроскопическое моделирование, основанное на обобщенной теореме Блоха, а также аналитическое моделирование, основанное на теории орбитальных связей, для проведения исследований и раскрытия физики, стоящей за ними.

Интересно, что скручивание оказывает значительное влияние на распределение легирующих примесей в нанопроводах. Как показано на рисунке, легирующая примесь большего атомного размера (такая как Sb) в витой нанопроволоке Si имеет меньшую энергию образования, если она занимает атомный узел ближе к поверхности нанопроволоки. Напротив, легирующая примесь меньшего атомного размера (такая как B) имеет меньшую энергию образования, если она занимает атомный участок вокруг ядра нанопроволоки.

Согласно их оценкам, легирующие примеси n-типа и p-типа могут быть разделены в нанопроволоке с кодопированием путем соответствующего выбора пар кодопинга, например, B и Sb. Орбитальный анализ связей показывает, что эффективной модуляции способствует вызванная скручиванием неоднородная деформация сдвига вдоль радиального размера нанопроволоки. Эти результаты полностью подтверждаются обобщенными теоремами Блоха, основанными на плотной связи с функционалом плотности.

Этот новый подход в первую очередь облегчает производственный процесс и снижает производственные затраты. Если скручивание применяется во время режима работы устройства, рекомбинация различных типов легирующих примесей значительно подавляется. Рекомбинация все еще трудна, даже если закручивание устранено, когда устройство находится в рабочем режиме из-за ограниченной диффузии.

Это исследование финансировалось Национальным фондом естественных наук Китая, Пекинским педагогическим университетом, фондом HKRGC и Китайским университетом Гонконга.

Источник: http://www.scichina.com/

Source link