納米尺度金屬—半導(dǎo)體接觸的電學(xué)特性研究.pdf

1、金屬-半導(dǎo)體接觸(歐姆接觸和肖特基接觸)是所有半導(dǎo)體電子器件和光電子器件的核心結(jié)構(gòu)之一。隨著半導(dǎo)體器件的尺寸越來越小，尤其是降低到納米尺度，需要對(duì)這些納米器件的性能進(jìn)行深入研究。而納米尺寸的金屬-半導(dǎo)體接觸正是納米器件研究領(lǐng)域的方向之一。制備在半導(dǎo)體表面的金屬納米接觸，因?yàn)榕c目前的微電子技術(shù)有很好的兼容性而被廣泛關(guān)注。同時(shí)，稀土金屬砬化物具有較高的電導(dǎo)率，在N型硅上有低的肖特基勢(shì)壘，而在P型硅上有高的肖特基勢(shì)壘。因此，這些硅化物納米結(jié)構(gòu)

2、在未來納米半導(dǎo)體器件如歐姆互連、光電器件等方面具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　在本論文的工作中，我們主要研究硅基硅化鉺納米金屬-半導(dǎo)體接觸的制備和電學(xué)性質(zhì)。主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.運(yùn)用原位超高真空掃描隧道顯微鏡(UHV-STM)實(shí)現(xiàn)對(duì)Si(001)和Si(111)面上硅化鉺納米結(jié)構(gòu)形貌的研究，通過調(diào)節(jié)覆蓋度，退火溫度以及退火時(shí)間這三個(gè)生長(zhǎng)條件實(shí)現(xiàn)對(duì)硅化鉺納米結(jié)構(gòu)形貌和體相結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)調(diào)控。經(jīng)過高溫750℃退火，在Si(00

3、1)面制備出具有四方晶格結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量界面的硅化鉺納米島。這些預(yù)金字塔形狀的納米島具有相對(duì)較寬的尺寸范圍，長(zhǎng)度從幾納米到上百納米，寬度從幾納米到幾十納米，高度在3-9nm之間。進(jìn)而對(duì)這些納米島周圍的襯底表面進(jìn)行高分辨STM成像，結(jié)果顯示襯底表面主要由Si的二聚體鏈和Er引起的微結(jié)構(gòu)組成。對(duì)于Si(111)面硅化鉺納米結(jié)構(gòu)的STM研究發(fā)現(xiàn)，在低的Er覆蓋度(0.5ML)下，通過低溫(<600℃和700℃)連續(xù)退火，可形成長(zhǎng)度為200-500

4、nm硅化鉺納米線。這些納米線的形成機(jī)制完全不同于Si(001)面硅化鉺納米線的形成機(jī)制-晶格失配機(jī)制，而是二維(2D)三角形狀的硅化鉺島在熱動(dòng)力驅(qū)使下不斷合并熟化的結(jié)果。而在較高的Er覆蓋度(0.8ML)下，通過700℃退火，形成三維(3D)和二維(2D)硅化鉺島。繼續(xù)在750℃退火后，亞穩(wěn)的2DErSi2島分解。由于Si(111)面形成的3DErSi1.7島尺寸通常在上百納米，而尺寸相對(duì)較小的2DErSi2島又是亞穩(wěn)的，因此我們選擇高

5、溫制備在Si(001)面上的硅化鉺納米島作為納米金屬-半導(dǎo)體接觸研究的對(duì)象。
　　2.利用原位超高真空掃描隧道顯微鏡(UHV-STM)實(shí)現(xiàn)對(duì)硅化鉺納米島/p-Si(001)納米肖特基接觸的電學(xué)性質(zhì)研究。通過降低STM針尖與金屬硅化鉺島接觸，之后掃捕電壓，同時(shí)記錄電流，獲得硅化鉺島/p-Si(001)納米接觸的Ⅰ-Ⅴ特征。測(cè)量結(jié)果顯示，硅化鉺納米肖特基接觸仍然具有整流特性，但是其電流密度比宏觀硅化鉺肖特基接觸要大至少五個(gè)數(shù)量級(jí)，并且

6、表現(xiàn)出明顯的尺寸依賴，即通過接觸的電流密度隨接觸面積降低而增大。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，硅化鉺納米肖特基接觸的有效肖特基勢(shì)壘高度(0.28-0.32 eV)遠(yuǎn)小于宏觀硅化鉺肖特基接觸的勢(shì)壘高度(0.73 eV)。分析表明，隧穿和鏡像力降低是導(dǎo)致有效肖特基勢(shì)壘降低的可能原因。然而，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，硅化鉺納米肖特基接觸的Ⅰ-Ⅴ特征對(duì)真空腔內(nèi)的殘留氣體表面吸附十分敏感。經(jīng)過24小時(shí)的表面吸附后，其有效肖特基勢(shì)壘高度可被提高約0.1eV。這表明硅化

7、鉺納米島周圍的Si表面態(tài)對(duì)硅化鉺納米肖特基接觸的Ⅰ-Ⅴ特征有強(qiáng)烈影響。
　　3.利用O2和NH3表面吸附實(shí)驗(yàn)研究了硅化鉺納米肖特基接觸的表面效應(yīng)。分別利用O2和NH3對(duì)硅化鉺納米島周圍的Si襯底表面態(tài)進(jìn)行逐步修正，研究硅化鉺納米肖特基接觸Ⅰ-Ⅴ特征對(duì)襯底表面態(tài)電子特性的依賴。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著O2和NH3吸附量的增加，在反向偏壓下，一個(gè)類似歐姆接觸的傳輸通道被不斷抑制；而在正向偏壓下，一個(gè)類似二極管的傳輸通道被不斷抑制。這表明由表

8、面態(tài)(或表面電子特性)控制的電流傳輸通道，在反向偏壓下表現(xiàn)為類歐姆接觸的傳輸特征，而正向偏壓下表現(xiàn)為類二極管的傳輸特征。進(jìn)一步，基于能帶彎曲理論，分析了ErSi2納米肖特基接觸的周圍表面態(tài)對(duì)其影響的物理機(jī)制。我們建議在ErSi2島與Si襯底之間有三個(gè)可能的電流通道，即表面態(tài)帶通道，表面空間電荷層通道和界而空間電荷層通道。其中，前兩個(gè)導(dǎo)電通道受Si表而電子特性影響。在反向偏壓下，電流主要經(jīng)表面態(tài)帶通道傳導(dǎo)，其他兩個(gè)通道為高勢(shì)壘通道；而正向

9、偏壓下，這三個(gè)通道可能都是有效的電流傳輸通道。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析對(duì)進(jìn)一步研究納米金屬半導(dǎo)體接觸的表面效應(yīng)具有重要意義。
　　4.研究了硅化鉺化學(xué)不穩(wěn)定性帶來的影響。在氣體表面吸附試驗(yàn)中，我們注意到ErSi2島長(zhǎng)時(shí)間暴露在氧氣和氨氣氛圍中會(huì)導(dǎo)致其很快“氧化”。由于ErSi2表面吸附過多的O2和NH3分子，這些分子不斷與ErSi2反應(yīng)，從而導(dǎo)致STM針尖與ErSi2島之間的接觸電阻急劇上升，致使Ⅰ-Ⅴ測(cè)量無法反映接觸的界而信息而