石墨烯/p型硅肖特基二极管的亚阈值与反向偏压模型：量子力学与器件模拟的多尺度研究

研究人员针对石墨烯-硅界面在肖特基二极管中的物理机制不明确问题，通过整合量子力学计算(DFT)与有限元模拟(Sentaurus TCAD)，建立了亚阈值和反向偏压模型。该研究揭示了复合速度(vrh)主导的扩散传输机制和镜像力降低效应对肖特基势垒(ΦB)的调制作用，为光电器件设计提供了从原子尺度到器件性能的完整理论框架。

　　

在半导体器件领域，石墨烯与硅的异质结因其独特的电子输运特性成为研究热点。自2004年石墨烯成功剥离以来，这种具有狄拉克锥能带结构的二维材料在光电探测、能量收集和传感应用中展现出巨大潜力。然而，石墨烯-硅界面的物理机制仍存在诸多未解之谜：肖特基势垒高度的精确调控、载流子输运的主导机制，以及反向偏压下的电流特性等问题，严重制约着器件性能的优化。特别是在亚阈值和反向偏压区域，传统模型往往难以准确描述界面行为，这成为制约石墨烯基肖特基二极管实际应用的瓶颈。

针对这些挑战，来自多个机构的研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表了一项突破性研究。他们创新性地将量子力学分析与器件级模拟相结合，首次建立了石墨烯/p型硅肖特基二极管的亚阈值和反向偏压完整模型。这项研究不仅揭示了界面电子特性的原子级起源，还定量描述了器件工作时的关键物理过程，为下一代半导体器件的设计提供了理论基石。

研究人员采用了多尺度研究方法：首先通过密度泛函理论(DFT)计算优化石墨烯-硅超晶胞结构，获取功函数和有效质量等关键参数；随后利用Sentaurus TCAD软件构建器件模型，通过求解泊松方程和连续性方程模拟电流特性；最后将计算结果与实验数据拟合验证。特别值得注意的是，研究采用了非均匀网格划分策略，在界面区域进行精细建模以捕捉载流子输运细节。

量子力学计算部分获得了重要发现。通过构建包含120个硅原子和80个碳原子的超晶胞，研究人员发现石墨烯与硅的最佳间距为3.4 ?，此时功函数为4.78 eV，有效质量为0.589m₀。能带结构分析显示，当石墨烯与硅的距离缩短1 ?时，界面金属性增强，导电性提高；而距离增加2.5 ?时则出现间接带隙，导电性降低。与原始石墨烯的狄拉克锥能带相比，石墨烯-硅界面表现出显著的能带杂化现象，这为理解界面电荷转移提供了原子尺度解释。

在器件模拟方面，研究取得了三项关键突破。首先，通过系统改变复合速度(v_rh)，明确了载流子输运机制的转变规律：当v_rh远大于扩散速度(v_D)时，扩散成为主导机制，此时亚阈值摆幅(SS)可达664 mV/dec，理想因子(η)为11；反之则以热电子发射为主。其次，揭示了镜像力降低效应对肖特基势垒(Φ_B)的调制作用：反向偏压2V时，势垒高度从平衡态的0.40 eV降至0.34 eV，降幅达60 meV。第三，发现界面电阻(R)是调控镜像力降低效应的关键参数，10 Ω的低电阻可使反向电流密度提高2-3个数量级。

通过与实验数据的对比验证，研究团队最终建立了精确的器件模型。在光探测器案例中，最佳拟合参数为v_rh=5×10⁵ cm/s和R=10 Ω，计算结果与实测SS值(664.9 mV/dec)和η值(11)高度吻合。值得注意的是，当v_rh超过9×10⁵ cm/s时，反向电流呈现饱和特征，这为器件优化提供了重要阈值参考。

这项研究的科学价值和应用前景主要体现在三个方面：其一，创建了首个整合量子力学与器件物理的石墨烯-硅界面多尺度模型，实现了从原子结构到宏观性能的完整描述；其二，阐明了复合速度和界面电阻对器件特性的调控机制，为性能优化提供了明确方向；其三，开发的方法具有普适性，可推广至其他半导体异质结系统。该成果不仅解决了长期困扰学术界的界面物理问题，更为设计高性能石墨烯基光电器件奠定了理论基础，对推动半导体技术的发展具有重要意义。