GeSe纳米电子器件整流特性的掺杂调控*

程杨名，廖文虎,2

(1.吉首大学信息科学与工程学院，湖南 吉首 416000；2.吉首大学物理与机电工程学院，湖南 吉首 416000)

单层二维材料因其独特的电子特性受到业界的广泛关注，如石墨烯、MoS2、六方氮化硼及磷烯等[1-3]，特别是磷烯和砷烯的二维半导体，已迅速引起学者的兴趣.近年来，已有大量关于类黑磷翘曲二维化合物的报道，如单层二维材料GeX和SnX(X=S,Se,Te)[4-5].研究表明，Ⅳ族单层硫族化合物表面具有与黑磷类似的起伏皱褶结构，表现出良好的光电性能，在纳米和光电子学方面有潜在的应用市场[6-9].而单层二维材料GeSe与磷烯的几何构型相似且具抗氧化性[10-11]，在空气中比磷烯更稳定.

目前，学者基于GeSe各向异性的物理特性提供了许多光电性能调控的新方法[12-14]，如掺杂、边缘设计、钝化和搭建异质结等.单层本征GeSe是一种带隙适中的二维半导体材料，取代掺杂是一种调整其单层电子结构和输运特性的有效方法.如Ge(Se)同族原子的替位掺杂可以保持单层GeSe结构的半导体特性，而C，N，P和Si原子替位掺杂却会极大地改变GeSe的电子结构，使单层GeSe结构呈现显著的金属特征[5,15-17].因此，通过有效的光电性能调控方法克服原始GeSe材料的不足，有望为设计具有整流功能的器件提供机会.基于掺杂的GeSe纳米带器件具备的许多优异的光电特性，借鉴传统肖特基结的设计原理，笔者拟搭建一个不同原子替位掺杂下的单层GeSe纳米电子器件模型，探究第Ⅴ主族原子(P，As，Sb)替位掺杂对GeSe纳米电子器件电流-电压特性的影响.

1 模型与方法

通过计算并比较不同原子掺杂GeSe晶体的结合能发现，常温下用第V主族原子取代Ge(Se)原子是可行的[5].在扶手椅边缘GeSe纳米带掺杂奇数个P原子时，GeSe纳米带由半导体性质转变为金属性质[18-20].基于此，笔者将边缘掺杂的GeSe纳米带与未掺杂的扶手椅GeSe纳米带搭建在一起，形成肖特基结器件.通过部分掺杂构造肖特基结器件，可以有效避免不同性质材料之间的晶格失配问题，一定程度上降低不同性质材料间因耦合相互作用或晶格失配而产生的器件电流-电压变化不稳定性.图1示出了GeSe纳米电子器件模型结构.整个器件由左电极、右电极和中心肖特基结3个部分组成，左、右电极在研究过程中设定为无限长，中心肖特基结构包含长度L(L=1.7，3.4，5.1 nm)未经掺杂的扶手型GeSe纳米带(原始半导体部分沟道)和长度N(N=1.7 nm)经替位掺杂的扶手型GeSe纳米带.需要注意的是，经原子替位掺杂的扶手型GeSe纳米带具有金属性质，其电子性质几乎不受结构本身长度的影响，所以为了简便起见，研究过程中固定掺杂处理部分沟道的长度，只改变中心半导体部分沟道的长度.

图1 GeSe纳米电子器件模型结构

为了得到GeSe二极管的电流-电压特性，在器件自洽与优化的整个计算过程中，作用于原子上力的收敛标准取0.3 eV/nm.交换关联函数为GGA_PBE96，能量截断半径为80 Hartree，采用Pulay算法进行迭代，混合率为0.05，费米温度为100 K，能量收敛标准不低于10-5.左、右电极在输运方向上K值取100，另2个方向K值取1，自洽计算与电流-电压计算的K空间格点均取1×1×1.器件模拟计算过程中左、右电极取半无限长，为了避免层间相互作用的干扰，在电子输运方向以外的其他2个方向分别设置1.5 nm的真空层.流经器件电极的电流I可由Laudauer公式[21]得到，

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其中：e为电子电量；h为普朗克常量；μL和μR分别为左、右电极的电化学势；T(E,V)为电子能量是E、偏压是V时的体系透射系数；fL(E-μL)和fR(E-μR)表示左、右电极的费米-狄拉克分布函数.整流比R是反映电子整流器件整流效果强弱的重要指标，整流比定义为正、负偏压下电流绝对值的比值，即

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2 结果与讨论

P原子替位掺杂下不同中心半导体沟道长度的GeSe纳米电子器件的电流-电压曲线如图2(a)所示.由图2(a)可见，中心半导体沟道长度L增加到5.1 nm后与初始1.7 nm相比，电流-电压曲线发生了较大变化.初始结构即中心沟道半导体部分与掺杂部分长度等长时，在[-1 V,1 V]范围内器件电流几乎呈线性变化，即器件电流随着正向偏压的增大而增大，负向偏压下尤其是当电压绝对值增至0.8 V后，电流随着负向偏压的增大而明显减小，呈现显著的负微分电阻效应.当中心半导体沟道长度增加至3.4 nm时，在负向偏压范围内，器件电流几乎为0且不随着偏压的变化而变化；在正向偏压范围内，电流随着偏压增大而增大，呈现显著的整流特性.进一步增加中心半导体沟道长度至5.1 nm时，在[-1 V,1 V]整个偏压范围内肖特基结电流几乎不变，器件仍呈现良好的整流特性.

为了进一步分析不同中心半导体沟道长度的肖特基结器件整流效果，分别计算3种不同沟道长度下器件的整流比，如图2(b)所示.由图2(b)可见：当器件中心沟道半导体部分与掺杂部分长度均为1.7 nm时，在整个偏压范围内整流比几乎一直为0，器件没有整流效果，这与中心半导体沟道长度为1.7 nm时的GeSe器件电流-电压特性相吻合；当中心半导体沟道长度增加至3.4 nm时，相同偏压下整流比显著增大，器件整流效果进一步增强；当中心半导体沟道长度增加至5.1 nm时，器件整流效果最好.进一步分析发现，器件整流比随着两端偏压的增大而增大，因此在最大偏压绝对值处，GeSe肖特基结整流比最大.由此可知，在中心半导体沟道长度为5.1 nm范围内，相同偏压条件下，随着器件中心半导体沟道长度的增加，GeSe肖特基结的整流比相应增大.这说明，中心半导体沟道长度对GeSe肖特基结器件的整流特性具有调控作用.

图2 P原子替位掺杂下不同中心半导体沟道长度的GeSe纳米电子器件整流特性

由于在第Ⅴ主族原子的替位掺杂下，GeSe纳米带的电子性质会发生一定程度的变化，尤其是可能实现从半导体性质到金属性质的转变，这对相关器件的电流-电压特性会产生重要影响，因此笔者将在P原子替位分析的基础上，进一步分析同族其他原子(As和Sb)在相同掺杂位置条件下电子器件的整流特性.

图3和图4分别示出了As和Sb原子替位掺杂下不同中心半导体沟道长度的GeSe纳米电子器件的整流特性.

图3 As原子替位掺杂下不同中心半导体沟道长度的GeSe纳米电子器件的整流特性

图4 Sb原子替位掺杂下不同中心半导体沟道长度的GeSe纳米电子器件的整流特性

由图3(a)和图4(a)可见，中心沟道掺杂部分与未掺杂部分的长度均为1.7 nm时，在负向偏压下，2种替位掺杂条件下的GeSe纳米电子器件电流随着负向偏压绝对值的增大而先增大后减小，器件呈现一定程度的负微分电阻效应；当器件中心半导体沟道长度增大至3.4 nm时，流经器件电流在[-1 V,0 V)偏压范围内几乎减小至0，而在(0 V,1 V]范围内随着偏压的增大而增大，器件呈现出显著的整流效果.

为了进一步分析As和Sb原子替位掺杂下不同中心半导体沟道长度的GeSe纳米电子器件的整流效果，分别计算3种不同沟道长度器件的整流比，如图3(b)和4(b)所示.由图3(b)和4(b)可见：当中心半导体沟道长度大于3.4 nm后，GeSe肖特基结纳米电子器件整流比随着两端偏压的增大而增大,这与P磷原子替位掺杂实验结论保持一致；当器件中心半导体沟道长度从1.7 nm增加至5.1 nm时,As和Sb原子替位掺杂下GeSe纳米电子器件的整流比在同一偏压下显著提高，说明中心半导体沟道长度对器件的整流特性具有调控作用.

综合分析P，As和Sb原子替位掺杂GeSe纳米电子器件的整流特性不难发现，当器件中心半导体沟道长度为5.1 nm时，P，As和Sb原子替位掺杂的GeSe肖特基结纳米电子器件在1 V处整流效果最佳.Sb原子掺杂下的肖特基结纳米电子器件有最大的输出电流(达到3.0 μA)，但此时整流比最大值仅为550；As原子替位掺杂下器件有最大的整流比(达到2 200)，但此时输出电流最大值仅为1.0 μA.

3 结语

基于密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法，研究了第Ⅴ主族原子(P，As，Sb)替位掺杂条件下不同中心半导体沟道长度的GeSe纳米电子器件的整流特性.实验结果表明，掺杂条件下的GeSe纳米电子器件中心半导体沟道长度与器件的整流特性关系密切.正向偏压下电流随着偏压的增大而增大，负向电压下当中心半导体沟道长度增加至3.4 nm时，电流几乎为0且不随着偏压的变化而变化，器件呈现明显的整流特性.由此可知，在5.1 nm长度范围内，随着中心半导体沟道长度的增加，相同外部偏压条件下，第Ⅴ主族原子(P，As，Sb)掺杂条件下的GeSe纳米带器件的整流特性逐渐增强.研究结果可以为GeSe二极管器件设计提供一定的理论参考.