計算壓電電子學器件界面處壓電電荷分布的方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及計算壓電電子學器件的壓電電荷分布的技術，具體地，涉及計算壓電 電子學器件界面處壓電電荷分布的方法和系統。
【背景技術】
[0002] 壓電電子學器件的核心部分是壓電半導體，如氧化鋅、氮化鎵、氮化銦等。在外界 應力的作用下，壓電半導體的表面會產生壓電電荷及相應的壓電電場，從而影響半導體的 輸運性質。因而，可以利用外界應力來替代傳統的門電極對壓電電子學器件的輸運性質進 行調控，這叫做壓電電子學。壓電電子學器件中壓電半導體與其他材料界面處產生的壓電 電荷是壓電電子學效應的關鍵因素。目前，已有相關的理論研究闡述了壓電電荷對器件的 調控機理，但所采用的方法僅基于經典的壓電理論、半導體物理、以及宏觀的有限元方法， 對壓電電荷在微觀界面處的分布長度及分布形狀也采取了簡單的近似，因而無法得到壓電 電荷的分布規律。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供計算壓電電子學器件界面處壓電電荷分布的方法和系統，用 于解決計算壓電電子學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] 為了實現上述目的，本發明提供了一種計算壓電電子學器件界面處壓電電荷分布 的方法，包括：接收構成所述壓電電子學器件的原子的原子種類、原子坐標和晶胞大小；分 別在所述壓電電子學器件無應變和有應變的情況下，根據原子種類、原子坐標和晶胞大小 計算所述界面處的電荷量，其中，在無應變的情況下，所述電荷量為無應變電荷量，以及在 有應變的情況下，所述電荷量為有應變電荷量；以及計算所述界面處的所述無應變電荷量 與所述有應變電荷量的差值以得到所述界面處的壓電電荷分布。
[0005] 相應地，本發明還提供了一種計算壓電電子學器件界面處壓電電荷分布的系統， 包括：接收裝置，用于接收構成所述壓電電子學器件的原子的原子種類、原子坐標和晶胞大 小；以及計算裝置，用于：分別在所述壓電電子學器件無應變和有應變的情況下，根據原子 種類、原子坐標和晶胞大小計算所述界面處的電荷量，其中，在無應變的情況下，所述電荷 量為無應變電荷量，以及在有應變的情況下，所述電荷量為有應變電荷量；以及計算所述界 面處的所述無應變電荷量與所述有應變電荷量的差值以得到所述界面處的壓電電荷分布。
[0006] 通過上述技術方案，本發明通過分別計算在壓電電子學器件無應變和有應變情況 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器件的輸運性質，為優化壓電電子學器件功能、加快 壓電電子學器件產業化進程提供幫助。
[0007] 本發明的其他特征和優點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【附圖說明】
[0008] 附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具 體實施方式一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中：
[0009] 圖1是本發明提供的計算壓電電子學器件界面處壓電電荷分布方法的流程圖；
[0010] 圖2是本發明實施例提供的一種壓電電子學器件；
[0011] 圖3(a)是根據圖2提供的實施例的Ag-ZnO-Ag壓電電子學晶體管的原子尺度模 型；
[0012] 圖3(b)是根據圖2提供的實施例的Ag-ZnO-Ag壓電電子學晶體管超晶胞內面平 均靜電勢及宏觀平均靜電勢；
[0013] 圖3(c)是根據圖2提供的實施例的Ag-ZnO-Ag壓電電子學晶體管超晶胞內面平 均電荷密度；
[0014] 圖4 (a)是晶體管中的ZnO在± 1 %應力下時，hcp-Ag-Zn〇-Ag晶體管Ag-Zn-O接 觸區域（即如圖3所示的BE區域）的壓電電荷分布圖；
[0015] 圖4(b)是晶體管中的ZnO在±5%應力下時，hcp-Ag-Zn〇-Ag晶體管Ag-Zn-O接 觸區域（即如圖3所示的BE區域）的壓電電荷分布圖；
[0016] 圖4(c)是晶體管中的ZnO在±1%應力下時，hcp-Ag-Zn〇-Ag晶體管Zn-O-Ag接 觸區域（即如圖3所示的FC區域）的壓電電荷分布圖；
[0017] 圖4(d)是晶體管中的ZnO在±5%應力下時，hcp-Ag-Zn〇-Ag晶體管Zn-O-Ag接 觸區域（即如圖3所示的FC區域）的壓電電荷分布圖；
[0018] 圖5(a)是晶體管中的ZnO在±1%應力下時，fcc-Ag-Zn〇-Ag晶體管Ag-Zn-O接 觸區域的壓電電荷分布圖；
[0019] 圖5 (b)是晶體管中的ZnO在±5%應力下時，fcc-Ag-ZnO-Ag晶體管Ag-Zn-O接 觸區域的壓電電荷分布圖；
[0020] 圖5 (C)是晶體管中的ZnO在± 1 %應力下時，fCC-Ag-ZnO-Ag晶體管Zn-O-Ag接 觸區域的壓電電荷分布圖；
[0021] 圖5 (d)是晶體管中的ZnO在±5%應力下時，fcc-Ag-ZnO-Ag晶體管Zn-O-Ag接 觸區域的壓電電荷分布圖；
[0022] 圖6 (a)是在應力僅施加在ZnO上時hcp-Ag-ZnO-Ag晶體管Ag-Zn-O接觸區域總 壓電電荷隨應力變化的圖示；
[0023] 圖6 (b)是在應力僅施加在ZnO上時hcp-Ag-ZnO-Ag晶體管Zn-O-Ag接觸區域總 壓電電荷隨應力變化的圖示；
[0024] 圖6 (c)是在應力僅施加在ZnO上時fcc-Ag-ZnO-Ag晶體管Ag-Zn-O接觸區域總 壓電電荷隨應力變化的圖示；
[0025] 圖6 (d)是在應力僅施加在ZnO上時fcc-Ag-ZnO-Ag晶體管Zn-O-Ag接觸區域總 壓電電荷隨應力變化的圖示；
[0026] 圖7至圖9是在應力施加在整個晶體管上時與圖4至圖6相對應的圖示；以及
[0027] 圖10是本發明提供的計算壓電電子學器件界面處壓電電荷分布系統的框圖。
【具體實施方式】
[0028] 以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描 述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。
[0029] 圖1是本發明提供的計算壓電電子學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：接收構成壓電電子學器件的原子的原子種類、原子坐標和晶胞大 小；分別在該壓電電子學器件無應變和有應變的情況下，根據所接收到的原子種類、原子坐 標和晶胞大小計算所述界面處的電荷量，其中，在無應變的情況下，該電荷量為無應變電荷 量，以及在有應變的情況下，該電荷量為有應變電荷量；以及計算所述界面處的所述無應變 電荷量與所述有應變電荷量的差值以得到所述界面處的壓電電荷分布。
[0030] 本發明以圖2所示的壓電電子學器件為例進行說明，但應當注意的是，圖2所示的 壓電電子學器件并不用于限定本發明的范圍。
[0031] 圖2所示的壓電電子學器件是由兩個金屬電極連接中間的壓電半導體而成，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體材料 有GaN (氮化鎵）、InN (氮化銦）等。
[0032] 在圖2中標出了 ZnO的c軸方向，在沿著c軸方向的外應力施加在該壓電電子學 器件上時，在兩個金屬電極Ag與壓電半導體ZnO的界面處將產生壓電電荷，該壓電電荷為 有應變電荷量與無應變電荷量的差值。
[0033] 其中，計算界面處的電荷量包括以下步驟：在垂直于壓電電子學器件界面的方向 上將壓電電子學器件劃分多個格點（如，2000個格點），然后計算每個格點的電荷量，根據 原子坐標得到界面處的電荷量。其中，垂直于壓電電子學器件界面的方向為圖2所示的c 軸的方向。由于每個原子的坐標是已知的，所以可以根據處于壓電電子學器件界面處的原 子的坐標就可以得到界面處的電荷量，該電荷量為正電荷與負電荷之和。
[0034] 其中，計算每個格點的電荷量包括以下步驟：根據構成壓電電子學器件的原子的 原子種類、原子坐標和晶胞大小得到壓電電子學器件的面平均靜電勢，然后根據該面平均 靜電勢得到壓電電子學器件的面平均電荷密度，然后根據該面平均電荷密度得到每個格點 的電荷量。其中，每個格點中的電荷量由該格點中的平均電荷密度和格點的體積相乘得到。 根據構成壓電電子學器件的原子的原子種類、原子坐標和晶胞大小得到壓電電子學器件的 面平均靜電勢可以采用以下算法進行：