計(jì)算壓電電子學(xué)器件界面處壓電電荷分布的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算壓電電子學(xué)器件的壓電電荷分布的技術(shù)，具體地，涉及計(jì)算壓電 電子學(xué)器件界面處壓電電荷分布的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電電子學(xué)器件的核心部分是壓電半導(dǎo)體，如氧化鋅、氮化鎵、氮化銦等。在外界 應(yīng)力的作用下，壓電半導(dǎo)體的表面會(huì)產(chǎn)生壓電電荷及相應(yīng)的壓電電場(chǎng)，從而影響半導(dǎo)體的 輸運(yùn)性質(zhì)。因而，可以利用外界應(yīng)力來替代傳統(tǒng)的門電極對(duì)壓電電子學(xué)器件的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn) 行調(diào)控，這叫做壓電電子學(xué)。壓電電子學(xué)器件中壓電半導(dǎo)體與其他材料界面處產(chǎn)生的壓電 電荷是壓電電子學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵因素。目前，已有相關(guān)的理論研究闡述了壓電電荷對(duì)器件的 調(diào)控機(jī)理，但所采用的方法僅基于經(jīng)典的壓電理論、半導(dǎo)體物理、以及宏觀的有限元方法， 對(duì)壓電電荷在微觀界面處的分布長(zhǎng)度及分布形狀也采取了簡(jiǎn)單的近似，因而無法得到壓電 電荷的分布規(guī)律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供計(jì)算壓電電子學(xué)器件界面處壓電電荷分布的方法和系統(tǒng)，用 于解決計(jì)算壓電電子學(xué)器件的壓電電荷分布，尤其是界面處的壓電電荷分布的問題。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種計(jì)算壓電電子學(xué)器件界面處壓電電荷分布 的方法，包括：接收構(gòu)成所述壓電電子學(xué)器件的原子的原子種類、原子坐標(biāo)和晶胞大小；分 別在所述壓電電子學(xué)器件無應(yīng)變和有應(yīng)變的情況下，根據(jù)原子種類、原子坐標(biāo)和晶胞大小 計(jì)算所述界面處的電荷量，其中，在無應(yīng)變的情況下，所述電荷量為無應(yīng)變電荷量，以及在 有應(yīng)變的情況下，所述電荷量為有應(yīng)變電荷量；以及計(jì)算所述界面處的所述無應(yīng)變電荷量 與所述有應(yīng)變電荷量的差值以得到所述界面處的壓電電荷分布。
[0005] 相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種計(jì)算壓電電子學(xué)器件界面處壓電電荷分布的系統(tǒng)， 包括：接收裝置，用于接收構(gòu)成所述壓電電子學(xué)器件的原子的原子種類、原子坐標(biāo)和晶胞大 ?。灰约坝?jì)算裝置，用于：分別在所述壓電電子學(xué)器件無應(yīng)變和有應(yīng)變的情況下，根據(jù)原子 種類、原子坐標(biāo)和晶胞大小計(jì)算所述界面處的電荷量，其中，在無應(yīng)變的情況下，所述電荷 量為無應(yīng)變電荷量，以及在有應(yīng)變的情況下，所述電荷量為有應(yīng)變電荷量；以及計(jì)算所述界 面處的所述無應(yīng)變電荷量與所述有應(yīng)變電荷量的差值以得到所述界面處的壓電電荷分布。
[0006] 通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明通過分別計(jì)算在壓電電子學(xué)器件無應(yīng)變和有應(yīng)變情況 下界面處的電荷量來得到界面處的壓電電荷分布，可以精確地了解壓電電荷在界面處的分 布情況，從而能夠精確模擬壓電電子學(xué)器件的輸運(yùn)性質(zhì)，為優(yōu)化壓電電子學(xué)器件功能、加快 壓電電子學(xué)器件產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供幫助。
[0007] 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0008] 附圖是用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具 體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：
[0009] 圖1是本發(fā)明提供的計(jì)算壓電電子學(xué)器件界面處壓電電荷分布方法的流程圖；
[0010] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電電子學(xué)器件；
[0011] 圖3(a)是根據(jù)圖2提供的實(shí)施例的Ag-ZnO-Ag壓電電子學(xué)晶體管的原子尺度模 型；
[0012] 圖3(b)是根據(jù)圖2提供的實(shí)施例的Ag-ZnO-Ag壓電電子學(xué)晶體管超晶胞內(nèi)面平 均靜電勢(shì)及宏觀平均靜電勢(shì)；
[0013] 圖3(c)是根據(jù)圖2提供的實(shí)施例的Ag-ZnO-Ag壓電電子學(xué)晶體管超晶胞內(nèi)面平 均電荷密度；
[0014] 圖4 (a)是晶體管中的ZnO在± 1 %應(yīng)力下時(shí)，hcp-Ag-Zn〇-Ag晶體管Ag-Zn-O接 觸區(qū)域（即如圖3所示的BE區(qū)域）的壓電電荷分布圖；
[0015] 圖4(b)是晶體管中的ZnO在±5%應(yīng)力下時(shí)，hcp-Ag-Zn〇-Ag晶體管Ag-Zn-O接 觸區(qū)域（即如圖3所示的BE區(qū)域）的壓電電荷分布圖；
[0016] 圖4(c)是晶體管中的ZnO在±1%應(yīng)力下時(shí)，hcp-Ag-Zn〇-Ag晶體管Zn-O-Ag接 觸區(qū)域（即如圖3所示的FC區(qū)域）的壓電電荷分布圖；
[0017] 圖4(d)是晶體管中的ZnO在±5%應(yīng)力下時(shí)，hcp-Ag-Zn〇-Ag晶體管Zn-O-Ag接 觸區(qū)域（即如圖3所示的FC區(qū)域）的壓電電荷分布圖；
[0018] 圖5(a)是晶體管中的ZnO在±1%應(yīng)力下時(shí)，fcc-Ag-Zn〇-Ag晶體管Ag-Zn-O接 觸區(qū)域的壓電電荷分布圖；
[0019] 圖5 (b)是晶體管中的ZnO在±5%應(yīng)力下時(shí)，fcc-Ag-ZnO-Ag晶體管Ag-Zn-O接 觸區(qū)域的壓電電荷分布圖；
[0020] 圖5 (C)是晶體管中的ZnO在± 1 %應(yīng)力下時(shí)，fCC-Ag-ZnO-Ag晶體管Zn-O-Ag接 觸區(qū)域的壓電電荷分布圖；
[0021] 圖5 (d)是晶體管中的ZnO在±5%應(yīng)力下時(shí)，fcc-Ag-ZnO-Ag晶體管Zn-O-Ag接 觸區(qū)域的壓電電荷分布圖；
[0022] 圖6 (a)是在應(yīng)力僅施加在ZnO上時(shí)hcp-Ag-ZnO-Ag晶體管Ag-Zn-O接觸區(qū)域總 壓電電荷隨應(yīng)力變化的圖示；
[0023] 圖6 (b)是在應(yīng)力僅施加在ZnO上時(shí)hcp-Ag-ZnO-Ag晶體管Zn-O-Ag接觸區(qū)域總 壓電電荷隨應(yīng)力變化的圖示；
[0024] 圖6 (c)是在應(yīng)力僅施加在ZnO上時(shí)fcc-Ag-ZnO-Ag晶體管Ag-Zn-O接觸區(qū)域總 壓電電荷隨應(yīng)力變化的圖示；
[0025] 圖6 (d)是在應(yīng)力僅施加在ZnO上時(shí)fcc-Ag-ZnO-Ag晶體管Zn-O-Ag接觸區(qū)域總 壓電電荷隨應(yīng)力變化的圖示；
[0026] 圖7至圖9是在應(yīng)力施加在整個(gè)晶體管上時(shí)與圖4至圖6相對(duì)應(yīng)的圖示；以及
[0027] 圖10是本發(fā)明提供的計(jì)算壓電電子學(xué)器件界面處壓電電荷分布系統(tǒng)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描 述的【具體實(shí)施方式】?jī)H用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0029] 圖1是本發(fā)明提供的計(jì)算壓電電子學(xué)器件界面處壓電電荷分布方法的流程圖，如 圖1所示，該方法包括：接收構(gòu)成壓電電子學(xué)器件的原子的原子種類、原子坐標(biāo)和晶胞大 ?。环謩e在該壓電電子學(xué)器件無應(yīng)變和有應(yīng)變的情況下，根據(jù)所接收到的原子種類、原子坐 標(biāo)和晶胞大小計(jì)算所述界面處的電荷量，其中，在無應(yīng)變的情況下，該電荷量為無應(yīng)變電荷 量，以及在有應(yīng)變的情況下，該電荷量為有應(yīng)變電荷量；以及計(jì)算所述界面處的所述無應(yīng)變 電荷量與所述有應(yīng)變電荷量的差值以得到所述界面處的壓電電荷分布。
[0030] 本發(fā)明以圖2所示的壓電電子學(xué)器件為例進(jìn)行說明，但應(yīng)當(dāng)注意的是，圖2所示的 壓電電子學(xué)器件并不用于限定本發(fā)明的范圍。
[0031] 圖2所示的壓電電子學(xué)器件是由兩個(gè)金屬電極連接中間的壓電半導(dǎo)體而成，圖2 所示的示例選擇Ag(銀）作為金屬電極，ZnO(氧化鋅）作為中間的壓電半導(dǎo)體材料。其他 可以替換的金屬電極材料有Au (金）、Al (鋁）、Pt (鉬金）等，可以替換的壓電半導(dǎo)體材料 有GaN (氮化鎵）、InN (氮化銦）等。
[0032] 在圖2中標(biāo)出了 ZnO的c軸方向，在沿著c軸方向的外應(yīng)力施加在該壓電電子學(xué) 器件上時(shí)，在兩個(gè)金屬電極Ag與壓電半導(dǎo)體ZnO的界面處將產(chǎn)生壓電電荷，該壓電電荷為 有應(yīng)變電荷量與無應(yīng)變電荷量的差值。
[0033] 其中，計(jì)算界面處的電荷量包括以下步驟：在垂直于壓電電子學(xué)器件界面的方向 上將壓電電子學(xué)器件劃分多個(gè)格點(diǎn)（如，2000個(gè)格點(diǎn)），然后計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)的電荷量，根據(jù) 原子坐標(biāo)得到界面處的電荷量。其中，垂直于壓電電子學(xué)器件界面的方向?yàn)閳D2所示的c 軸的方向。由于每個(gè)原子的坐標(biāo)是已知的，所以可以根據(jù)處于壓電電子學(xué)器件界面處的原 子的坐標(biāo)就可以得到界面處的電荷量，該電荷量為正電荷與負(fù)電荷之和。
[0034] 其中，計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)的電荷量包括以下步驟：根據(jù)構(gòu)成壓電電子學(xué)器件的原子的 原子種類、原子坐標(biāo)和晶胞大小得到壓電電子學(xué)器件的面平均靜電勢(shì)，然后根據(jù)該面平均 靜電勢(shì)得到壓電電子學(xué)器件的面平均電荷密度，然后根據(jù)該面平均電荷密度得到每個(gè)格點(diǎn) 的電荷量。其中，每個(gè)格點(diǎn)中的電荷量由該格點(diǎn)中的平均電荷密度和格點(diǎn)的體積相乘得到。 根據(jù)構(gòu)成壓電電子學(xué)器件的原子的原子種類、原子坐標(biāo)和晶胞大小得到壓電電子學(xué)器件的 面平均靜電勢(shì)可以采用以下算法進(jìn)行：