对纯PVP基Au/n-Si（MS）肖特基二极管（SDs）以及掺杂3%和5%镍的PVP基Au/n-Si（MS）肖特基二极管（SDs）中的负电容和电感行为的全面研究

《ACS Applied Electronic Materials》：Comprehensive Investigation of Negative Capacitance and Inductive Behavior in Pure and 3% and 5% Ni-Doped PVP-Based Au/n-Si (MS) Schottky Diodes (SDs)

Au/n-Si Schottky二极管表面态密度与Ni掺杂浓度对电学性能影响研究。通过C-V和G/ω-V测量分析，发现Ni掺杂使势垒高度提升至1.543 eV，耗尽层宽度增大，表面态密度N_ss从2.09×1012增至4.29×1012 eV?1cm?2，显著增强负电容和电感特性，尤其在积累区表现突出。

　　在本研究中，我们重点探讨了金/氮化硅（Au/n-Si）肖特基二极管（SDs）在不同界面层下的主要电学特性及其性能变化。这些界面层包括纯聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和含有3%与5%镍（Ni）掺杂的PVP。通过电容-电压（C–V）和电导-电压（G/ω–V）测量，研究了在?3.5 V至+3.5 V的电压范围内，这些结构对电学参数的影响。同时，我们还对界面态密度（N_ss）和串联电阻（R_s）进行了分析，以理解它们对器件性能的具体作用。

在C–V曲线中，所有制备的样品都表现出一个明显的峰值，大约出现在0.8 V处，随后在超过2 V时迅速下降至负值。而G/ω–V特性则在这一电压范围内表现出快速上升的趋势。为了更深入地理解这种行为，我们同时绘制了C和G/ω随电压变化的曲线，并将其与电流变化结合起来分析。这一研究不仅揭示了界面态和串联电阻对电学特性的影响，还特别关注了在积累区域中出现的负电容（NC）和类似电感的响应现象。

在实际应用中，电学参数如掺杂浓度（N_d）、势垒高度（Φ_B）、费米能级（E_F）、耗尽层宽度（W_d）和最大电场（E_max）是评价金属-聚合物-半导体（MPS）结构性能的重要指标。这些参数通常从C–V和C^–2–V曲线中提取，并结合希尔-科尔曼（Hill–Coleman）分析进行评估。通过对比不同结构的参数，我们可以更好地理解掺杂对界面特性和电荷传输机制的影响。

研究结果表明，随着镍掺杂浓度的增加，V₀、Φ_B和E_max等参数均呈现上升趋势，这说明界面极化和陷阱激活效应得到了增强。同时，耗尽层宽度W_d也随之增加，表明电荷存储能力提升，界面电场调节更为显著。然而，当掺杂浓度从3%增加到5%时，N_d反而出现上升趋势，这可能意味着在较高Ni含量下，陷阱饱和现象出现，同时Ni诱导的额外态对电荷传输产生了更大的贡献。

在C–V曲线中，当电压达到一定值后，电容值会下降至负值，这通常与界面态的电荷重新分布有关。而在G/ω–V特性中，电导值则在正向偏压区域迅速上升，尤其是在接近3 V时达到最大值。这一现象表明，随着偏压的增加，电极上的电荷数量减少，而界面态和极化效应则增强了电导。这些行为在积累区域尤为明显，进一步确认了该结构在高正向偏压下的电感特性。

此外，我们还通过Hill–Coleman方法计算了N_ss的值，结果表明Ni掺杂显著提高了界面态密度。在表3中，可以看到不同样品的N_ss值变化，其中5% Ni掺杂的PVP样品具有最高的N_ss值，达到4.29 × 10¹² eV^–1 cm^–2。这表明随着Ni含量的增加，界面陷阱活动增强，从而影响了电容和电导特性。这种现象与之前的研究结果一致，进一步支持了Ni在增强界面极化和电荷分离方面的关键作用。

在研究过程中，我们还对C和G/ω值进行了修正，以消除串联电阻（R_s）对电学参数提取的影响。通过修正后的C–V和G/ω–V曲线，可以更准确地反映器件的真实电学响应。同时，修正后的电导值明显高于原始测量值，这与界面态的分布和极化效应密切相关。这些修正不仅有助于更准确地分析电学特性，还揭示了界面态密度对器件性能的关键影响。

通过分析不同结构的C–V和G/ω–V曲线，我们发现随着Ni掺杂浓度的增加，电容和电导的峰值位置发生了变化，同时负电容现象变得更加显著。这一现象表明，界面态和极化效应在Ni掺杂下得到了有效增强，从而影响了器件的电学行为。这些结果不仅有助于理解金属-聚合物-半导体结构的电学特性，还为未来在电子器件设计和优化方面提供了重要的理论依据。

本研究还探讨了界面层对电荷传输和电场分布的影响。结果显示，纯PVP和Ni掺杂PVP在不同电压区间内的电容和电导行为存在显著差异。例如，在正向偏压区域，纯PVP样品表现出较高的电容峰值，而随着Ni掺杂浓度的增加，电容峰值逐渐降低，但电导值显著上升。这种变化可能与界面态密度的增加和电荷传输效率的提高有关。

此外，我们还分析了串联电阻对C–V和G/ω–V特性的影响。研究发现，R_s在不同电压区间内的表现具有显著差异。在反向偏压区域，R_s值较高，这可能与耗尽层的形成和电荷传输的限制有关。而在正向偏压区域，R_s值随着Ni掺杂浓度的增加而降低，这表明界面层对电荷传输的促进作用。这些结果对于优化金属-聚合物-半导体结构的电学性能具有重要意义。

通过综合分析C–V、G/ω–V、C–I和G/ω–I曲线，我们不仅揭示了界面态和串联电阻对器件电学特性的影响，还进一步理解了这些结构在不同电压条件下的行为。研究结果表明，Ni掺杂在提高势垒高度、增强界面极化和改善电荷分离方面具有显著优势，这为未来在电子器件设计和材料选择方面提供了新的思路。

总的来说，本研究通过系统的实验和分析，揭示了Ni掺杂对金属-聚合物-半导体结构电学性能的显著影响。研究结果不仅加深了对界面态和电荷传输机制的理解，还为开发高性能的电子器件提供了理论支持和实践指导。未来的研究可以进一步探讨不同掺杂浓度对器件性能的具体影响，以及如何通过优化界面层设计来提高器件的效率和稳定性。