新型半導(dǎo)體材料的電輸運(yùn)特性研究.pdf

1、本文主要是利用不同外場(chǎng)條件下的直流和交流測(cè)量技術(shù)，借助于不同的理論分析手段，針對(duì)最近比較熱門的兩種新型半導(dǎo)體材料：硅量子點(diǎn)材料和氮化銦材料，研究了三種不同的結(jié)構(gòu)--硅量子點(diǎn)/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極管結(jié)構(gòu)，InN薄膜結(jié)構(gòu)，InN/GaAs界面的電子輸運(yùn)特性。 通常情況下，由于異質(zhì)結(jié)電子導(dǎo)帶不連續(xù)性，異質(zhì)結(jié)界面上會(huì)存在電子溝道和二維電子氣。我們的研究對(duì)象——硅量子點(diǎn)/單晶硅異質(zhì)結(jié)界面上也同樣存在二維(2D)電子氣體，其面密度約為1011c

2、m-2。硅量子點(diǎn)本身是零維(0D)電子結(jié)構(gòu)。很顯然，硅量子點(diǎn)/單晶硅異質(zhì)結(jié)是一個(gè)3D-2D-0D的電學(xué)體系。這些2D和0D低維結(jié)構(gòu)的存在會(huì)導(dǎo)致該異質(zhì)結(jié)在低溫下表現(xiàn)出量子特性。低溫下的伏安特性(I-V)曲線直接展現(xiàn)了量子共振隧穿峰的存在。值得注意的是，雖然有很多成熟的理論[例如Matveev-Larkin(ML)理論]曾成功的解釋了大量低維體系中的共振隧穿現(xiàn)象，但是他們主要研究給定態(tài)間的共振隧穿，不能清楚的解釋我們這樣一個(gè)3D-2D-0D

3、體系中共振隧穿峰的根源和隧穿機(jī)制。因此我們需要根據(jù)量子輸運(yùn)理論，建立適用于硅量子點(diǎn)/單晶硅異質(zhì)結(jié)的共振隧穿二極管(RTD)模型來(lái)解釋該異質(zhì)結(jié)伏安特性曲線上觀察到的共振隧穿現(xiàn)象。 我們?cè)诨谧郧?shì)計(jì)算和轉(zhuǎn)移矩陣方法的量子輸運(yùn)理論框架下，綜合考慮了電荷貢獻(xiàn)，界面電子的積累，電子-電子相互作用等因素，建立了共振隧穿二極管模型，并對(duì)磷烷摻雜比為0.1％，p型單晶硅摻雜濃度為1.0×1016cm-3的硅量子點(diǎn)(n)/單晶硅(p)異質(zhì)結(jié)伏安

4、特性曲線上觀察到的共振隧穿峰進(jìn)行了理論模擬計(jì)算。理論模擬時(shí)所需要的能帶參數(shù)皆來(lái)自文獻(xiàn)報(bào)道和該樣品實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果。X射線衍射(XRD)和拉曼實(shí)驗(yàn)測(cè)量給出了硅量子點(diǎn)薄膜內(nèi)量子點(diǎn)的晶粒尺寸和晶態(tài)比，而電容-電壓(C-V)實(shí)驗(yàn)則給出了異質(zhì)結(jié)能帶中的重要能帶參數(shù)——能帶偏移，量子阱勢(shì)壘寬度和高度皆來(lái)自于文獻(xiàn)的報(bào)道。理論計(jì)算不僅成功模擬了實(shí)驗(yàn)中的共振隧穿特性，揭示出該異質(zhì)結(jié)I-V中的共振隧穿峰源于電子從三維(3D)-二維(2D)的共振隧穿，還表明異質(zhì)

5、結(jié)兩側(cè)摻雜濃度的改變對(duì)共振隧穿特性影響很大，即由摻雜濃度造成的二維及零維態(tài)能級(jí)位置不同會(huì)改變異質(zhì)結(jié)共振隧穿特性。 借助于順序隧穿理論，理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步闡述了二維和零維態(tài)能級(jí)相對(duì)位置變化對(duì)隧穿電流的具體調(diào)控過(guò)程。量子輸運(yùn)理論計(jì)算表明適當(dāng)改變異質(zhì)結(jié)兩側(cè)摻雜濃度可以調(diào)控二維(2D)—零維(0D)隧穿峰的位置以及隧穿峰產(chǎn)生(消失)。我們能夠在磷烷摻雜比為0.8％，p型單晶硅摻雜濃度為7.6×1014cm-3硅量子點(diǎn)(n)/單晶硅(p)

6、異質(zhì)結(jié)伏安特性曲線上可觀察到雙峰共振隧穿結(jié)構(gòu)(3D-2D和2D-0D)。摻雜濃度的這種調(diào)控可以給RTD器件提供必要設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，我們還在硅量子點(diǎn)(n)/單晶硅(p)異質(zhì)結(jié)二極管伏安特性曲線上觀察到了周期性的負(fù)微分電導(dǎo)峰，并指出這種周期性的負(fù)微分電導(dǎo)峰源于中性區(qū)納米點(diǎn)層中電子的不斷耗盡與積累，即緣自于量子點(diǎn)內(nèi)零維—零維(0D-0D)的共振隧穿現(xiàn)象，從而進(jìn)一步完整的闡述硅量子點(diǎn)(n)/單晶硅(p)異質(zhì)結(jié)內(nèi)所有與低維態(tài)相關(guān)的共振隧穿機(jī)制。

7、 其次，我們還詳細(xì)研究了不同生長(zhǎng)條件下射頻磁控濺射法在砷化稼(GaAs)襯底上得到的氮化銦(InN)薄膜的載流子輸運(yùn)特性。變溫I-V實(shí)驗(yàn)表明InN薄膜的電導(dǎo)隨溫度降低而增大，并在低溫時(shí)趨于常值。低溫下由于中性雜質(zhì)散射占主導(dǎo)低位，電導(dǎo)值基本不隨溫度改變。我們發(fā)現(xiàn)室溫—低溫段電導(dǎo)隨溫度的反常變化行為可以通過(guò)晶界勢(shì)壘模型來(lái)解釋。由于InN薄膜內(nèi)含有較多的位錯(cuò)，因此在晶界內(nèi)形成的缺陷態(tài)能夠俘獲一定數(shù)量的自由載流子，并在晶界處形成具有一定高

8、度的晶界勢(shì)壘，從而部分阻礙了自由載流子在薄膜內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。由于缺陷濃度較高，InN薄膜內(nèi)部晶界勢(shì)壘高度較低，這種較低的晶界勢(shì)壘高度將會(huì)造成InN薄膜電導(dǎo)隨溫度降低而逐漸增大這樣反常的電導(dǎo)—溫度行為。 晶界勢(shì)壘模型不僅可以用來(lái)模擬電導(dǎo)隨溫度的變化關(guān)系，指出InN薄膜內(nèi)這一反常變化行為的根源，還可以用來(lái)模擬勢(shì)壘高度隨偏壓的變化關(guān)系，指出一定偏壓下InN薄膜內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)機(jī)制及勢(shì)壘高度隨偏壓變化的趨勢(shì)和根源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論的自洽計(jì)算結(jié)

9、果都表明隨著偏壓的增大，勢(shì)壘高度將逐漸減小，直至大的偏壓下勢(shì)壘高度的消失。這是因?yàn)樵趶椥耘鲎草斶\(yùn)的情況下，電子所有的勢(shì)能都轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，當(dāng)動(dòng)能超過(guò)閾值能量(由材料的帶隙及電子和空穴的有效質(zhì)量決定)時(shí)，n型InN薄膜中的電子能夠撞擊離子化價(jià)帶中的空穴，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。作為少數(shù)載流子的空穴在電場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng)到界面處，部分空穴在擴(kuò)散過(guò)程中被俘獲在界面處，微晶界面處空穴的積累補(bǔ)償了部分屏蔽的負(fù)電荷，使得界面處的凈電荷密度下降，最終導(dǎo)致了勢(shì)壘

10、高度的降低，直至在大的偏壓下晶界勢(shì)壘消失。晶界勢(shì)壘高度隨電壓的變化關(guān)系向我們進(jìn)一步表明InN薄膜內(nèi)部載流子輸運(yùn)特性是由于空穴在晶界處的積累決定的。由于晶界勢(shì)壘是由晶界處缺陷俘獲一定數(shù)量的載流子后形成的，因此我們根據(jù)晶界勢(shì)壘高度獲得了InN薄膜內(nèi)部的缺陷體濃度值，且發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算值可以得到顯微喇曼實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。所有這些進(jìn)一步證實(shí)了在室溫—低溫范圍內(nèi)，磁控濺射生長(zhǎng)的多晶InN薄膜內(nèi)晶界勢(shì)壘散射占據(jù)了主導(dǎo)地位。 本文最后還討論了由In

11、N/GaAs界面上存在的界面陷阱及界面電荷導(dǎo)致的負(fù)電容效應(yīng)。常溫下測(cè)得的用射頻磁控濺射法在半絕緣GaAs襯底上得到的InN樣品其同側(cè)電容-頻率關(guān)系曲線皆是負(fù)值。同側(cè)電極的制作則表明這種負(fù)電容特性可能源于InN薄膜本身的貢獻(xiàn)、InN/GaAs界面的貢獻(xiàn)或二者貢獻(xiàn)之和。通過(guò)與寶石襯底上InN樣品的電容-頻率特性比較，我們認(rèn)為至少有部分的負(fù)電容源于InN/GaAs界面，因?yàn)槎K樣品中InN薄膜的電學(xué)特性基本相同，且寶石襯底上InN樣品負(fù)電容值

12、明顯小于GaAs襯底上InN樣品。均勻半導(dǎo)體模型則向我們表明InN薄膜本身電容較小與測(cè)量值相比可以忽略，GaAs襯底InN薄膜中觀測(cè)到的負(fù)電容特性源于InN與GaAs界面的貢獻(xiàn)。由于InN與GaAs晶格失配較大，界面上存在大量的界面陷阱，交流小信號(hào)存在時(shí)，界面陷阱能俘獲一定量的電荷，產(chǎn)生偶極子層來(lái)調(diào)制界面勢(shì)壘高度，因此勢(shì)壘高度的變化主要依賴于InN/GaAs界面的載流子俘獲與激發(fā)。這樣的一個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致勢(shì)壘高度的變化遲滯于交