硅和鍺基底上生長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)與基底間的接觸電輸運(yùn)特性研究.pdf

1、隨著微電子電路與元器件的尺寸不斷降低至亞微米甚至納米尺度，下一代納米電子器件的概念應(yīng)運(yùn)而生。然而傳統(tǒng)的光刻與離子注入等工藝已經(jīng)接近其加工精度的極限，無(wú)法滿足微電子技術(shù)對(duì)更小尺寸與更低功耗的追求。與此同時(shí)，外延生長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)由于具有更低的維度、良好的單晶結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的界面特性和多樣化的導(dǎo)電特性而有望成為納米器件的組成單元，例如肖特基接觸、歐姆接觸、導(dǎo)電互連線等。而元器件的導(dǎo)電特性對(duì)于電路的設(shè)計(jì)和平穩(wěn)運(yùn)行具有至關(guān)重要的影響，因此研究納米接觸的

2、導(dǎo)電特性是將納米結(jié)構(gòu)推向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，本文選用半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛應(yīng)用的Si和Ge作為基底，采用分子束外延方法制備納米結(jié)構(gòu)，并用超高真空掃描隧道顯微鏡對(duì)鐵硅化合物平板狀島和三維島、錳硅化合物納米線和鐵鍺化合物三維島等多個(gè)體系進(jìn)行了系統(tǒng)的電輸運(yùn)特性研究，并深入探討了影響納米接觸電輸運(yùn)特性的因素。本文的主要工作和研究成果如下：
　　1.在n型和p型Si(111)襯底表面于650℃下采用反應(yīng)外延的方法沉積Fe，生長(zhǎng)出正三角形Fe

3、Si2平板狀島。原子分辨圖像表明島表面的(2×2)重構(gòu)為金屬性?-FeSi2相所特有，通過針尖接觸納米島測(cè)量?jī)煞N摻雜類型的Si與平板島接觸的電流-電壓（I-V）曲線，證明了平板島與兩種襯底均形成具有單向?qū)ㄌ匦缘慕饘?半導(dǎo)體肖特基接觸。采用肖特基勢(shì)壘模型對(duì)I-V曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)接觸的理想因子遠(yuǎn)大于1，勢(shì)壘高度為~0.35 V，遠(yuǎn)小于宏觀接觸，表明納米接觸中傳統(tǒng)的熱電子發(fā)射電流已經(jīng)失去主導(dǎo)地位，取而代之的為非理想電流傳輸途徑。對(duì)非理想傳

4、輸途徑中的隧穿電流、表面少數(shù)載流子復(fù)合電流和表面態(tài)傳導(dǎo)電流的理論分析表明，隧穿電流和表面少子復(fù)合電流為可能的主導(dǎo)電流傳輸途徑。
　　2.通過精確地控制鐵硅化合物的生長(zhǎng)參數(shù)，使FeSi2平板島周圍產(chǎn)生襯底表面雙原子層剝離導(dǎo)致的腐蝕坑，從而顯著地改變了接觸周圍的表面特性。對(duì)比研究了腐蝕坑內(nèi)和坑外的納米到的I-V特性，發(fā)現(xiàn)腐蝕坑內(nèi)納米接觸的電流強(qiáng)度比坑外小將近一個(gè)數(shù)量級(jí)，有效勢(shì)壘高度高~0.07 V。證明了接觸周圍表面特性的改變對(duì)其I-

5、V特性產(chǎn)生顯著的影響，從而表明納米接觸中表面電流占據(jù)主導(dǎo)地位。通過計(jì)算腐蝕坑內(nèi)和坑外納米島的表面態(tài)電導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)坑外的表面態(tài)大小為~10-9???量級(jí)，而坑內(nèi)為~10-10???量級(jí)，表明腐蝕坑的存在幾乎阻斷了表面態(tài)傳導(dǎo)電流，并計(jì)算出表面態(tài)傳導(dǎo)電流的貢獻(xiàn)為0-2 nA。通過對(duì)比表面態(tài)傳導(dǎo)電流與削弱的表面電流強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)表面少子復(fù)合電流應(yīng)是主導(dǎo)的表面電輸運(yùn)途徑，其強(qiáng)度可以達(dá)到幾十nA。
　　3.在n型和p型Si(111)和Si(110)襯

6、底上于~570℃反應(yīng)外延生長(zhǎng)MnSi1.7納米線。對(duì)比測(cè)量?jī)煞N摻雜類型襯底上納米線的I-V特性，發(fā)現(xiàn)納米線和n型與p型襯底均形成類似肖特基接觸的單向?qū)ㄌ匦浴Ｍㄟ^對(duì)比Si(111)和Si(110)襯底上納米線的反向I-V曲線得到兩種襯底表面?zhèn)鲗?dǎo)電流的差異，其中Si(111)襯底在表面費(fèi)米能級(jí)附近具有較高的態(tài)密度，導(dǎo)致其反向電流由表面少子復(fù)合電流主導(dǎo)。而Si(110)表面則僅有表面態(tài)電導(dǎo)引起的線性反向I-V特性。通過研究電流密度隨納米線長(zhǎng)

7、度的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，納米線在長(zhǎng)度方向上的量變積累會(huì)引起接觸特性產(chǎn)生質(zhì)變，由類似零維納米島與Si襯底的接觸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S納米接觸，其主導(dǎo)電流模式由少子復(fù)合電流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗泶╇娏鳌?dǎo)電特性轉(zhuǎn)變的特征長(zhǎng)度處于200 nm附近，因此我們將此長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)寬比（12-18）定義為從電學(xué)角度區(qū)分零維與一維接觸的特征長(zhǎng)寬比。
　　4.在Si(111)和Ge(111)襯底上生長(zhǎng)出三維納米島（3D島），通過對(duì)比Si(111)襯底上腐蝕坑內(nèi)和坑外的3D島

8、的I-V特性曲線，發(fā)現(xiàn)在平板島中起主導(dǎo)作用的表面少子復(fù)合電流在3D島與襯底接觸中失去主導(dǎo)地位。我們將3D島/Si接觸的主要電流貢獻(xiàn)歸因于勢(shì)壘區(qū)厚度降低和界面位錯(cuò)缺陷導(dǎo)致的隧穿電流增大。通過肖特基勢(shì)壘模型擬合得到3D島/Si接觸的平均有效勢(shì)壘高度為~0.28 V，證明了3D島比平板島具有更低的接觸勢(shì)壘。通過測(cè)量Ge(111)襯底上生長(zhǎng)的鐵鍺化合物3D島與襯底的接觸特性，我們首次證明了3D島與Ge(111)形成低電阻的歐姆特性，其I-V特性