新型半導(dǎo)體材料的電輸運特性研究.pdf

1、本文主要是利用不同外場條件下的直流和交流測量技術(shù)，借助于不同的理論分析手段，針對最近比較熱門的兩種新型半導(dǎo)體材料：硅量子點材料和氮化銦材料，研究了三種不同的結(jié)構(gòu)--硅量子點/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)界面上會存在電子溝道和二維電子氣。我們的研究對象——硅量子點/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。硅量子點本身是零維(0D)電子結(jié)構(gòu)。很顯然，硅量子點/單晶硅異質(zhì)結(jié)是一個3D-2D-0D的電學體系。這些2D和0D低維結(jié)構(gòu)的存在會導(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3D-2D-0D

3、體系中共振隧穿峰的根源和隧穿機制。因此我們需要根據(jù)量子輸運理論，建立適用于硅量子點/單晶硅異質(zhì)結(jié)的共振隧穿二極管(RTD)模型來解釋該異質(zhì)結(jié)伏安特性曲線上觀察到的共振隧穿現(xiàn)象。 我們在基于自洽勢計算和轉(zhuǎn)移矩陣方法的量子輸運理論框架下，綜合考慮了電荷貢獻，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(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行了理論模擬計算。理論模擬時所需要的能帶參數(shù)皆來自文獻報道和該樣品實驗測定結(jié)果。X射線衍射(XRD)和拉曼實驗測量給出了硅量子點薄膜內(nèi)量子點的晶粒尺寸和晶態(tài)比，而電容-電壓(C-V)實驗則給出了異質(zhì)結(jié)能帶中的重要能帶參數(shù)——能帶偏移，量子阱勢壘寬度和高度皆來自于文獻的報道。理論計算不僅成功模擬了實驗中的共振隧穿特性，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)能級位置不同會改變異質(zhì)結(jié)共振隧穿特性。 借助于順序隧穿理論，理論計算結(jié)果進一步闡述了二維和零維態(tài)能級相對位置變化對隧穿電流的具體調(diào)控過程。量子輸運理論計算表明適當改變異質(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(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)計參數(shù)。此外，我們還在硅量子點(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微分電導(dǎo)峰，并指出這種周期性的負微分電導(dǎo)峰源于中性區(qū)納米點層中電子的不斷耗盡與積累，即緣自于量子點內(nèi)零維—零維(0D-0D)的共振隧穿現(xiàn)象，從而進一步完整的闡述硅量子點(n)/單晶硅(p)異質(zhì)結(jié)內(nèi)所有與低維態(tài)相關(guān)的共振隧穿機制。

7、 其次，我們還詳細研究了不同生長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)薄膜的載流子輸運特性。變溫I-V實驗表明InN薄膜的電導(dǎo)隨溫度降低而增大，并在低溫時趨于常值。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晶界勢壘模型來解釋。由于InN薄膜內(nèi)含有較多的位錯，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、度的晶界勢壘，從而部分阻礙了自由載流子在薄膜內(nèi)部的運動。由于缺陷濃度較高，InN薄膜內(nèi)部晶界勢壘高度較低，這種較低的晶界勢壘高度將會造成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。 晶界勢壘模型不僅可以用來模擬電導(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，還可以用來模擬勢壘高度隨偏壓的變化關(guān)系，指出一定偏壓下InN薄膜內(nèi)部的動力學輸運機制及勢壘高度隨偏壓變化的趨勢和根源。實驗結(jié)果和理論的自洽計算結(jié)

9、果都表明隨著偏壓的增大，勢壘高度將逐漸減小，直至大的偏壓下勢壘高度的消失。這是因為在彈性碰撞輸運的情況下，電子所有的勢能都轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，當動能超過閾值能量(由材料的帶隙及電子和空穴的有效質(zhì)量決定)時，n型InN薄膜中的電子能夠撞擊離子化價帶中的空穴，從而產(chǎn)生電子空穴對。作為少數(shù)載流子的空穴在電場力的作用下運動到界面處，部分空穴在擴散過程中被俘獲在界面處，微晶界面處空穴的積累補償了部分屏蔽的負電荷，使得界面處的凈電荷密度下降，最終導(dǎo)致了勢壘

10、高度的降低，直至在大的偏壓下晶界勢壘消失。晶界勢壘高度隨電壓的變化關(guān)系向我們進一步表明InN薄膜內(nèi)部載流子輸運特性是由于空穴在晶界處的積累決定的。由于晶界勢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)理論計算值可以得到顯微喇曼實驗結(jié)果的驗證。所有這些進一步證實了在室溫—低溫范圍內(nèi)，磁控濺射生長的多晶InN薄膜內(nèi)晶界勢壘散射占據(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)致的負電容效應(yīng)。常溫下測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)系曲線皆是負值。同側(cè)電極的制作則表明這種負電容特性可能源于InN薄膜本身的貢獻、InN/GaAs界面的貢獻或二者貢獻之和。通過與寶石襯底上InN樣品的電容-頻率特性比較，我們認為至少有部分的負電容源于InN/GaAs界面，因為二塊樣品中InN薄膜的電學特性基本相同，且寶石襯底上InN樣品負電容值

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量值相比可以忽略，GaAs襯底InN薄膜中觀測到的負電容特性源于InN與GaAs界面的貢獻。由于InN與GaAs晶格失配較大，界面上存在大量的界面陷阱，交流小信號存在時，界面陷阱能俘獲一定量的電荷，產(chǎn)生偶極子層來調(diào)制界面勢壘高度，因此勢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)。這樣的一個過程需要一定的時間，導(dǎo)致勢壘高度的變化遲滯于交