硅量子點結(jié)構(gòu)中的高電子遷移率和量子輸運現(xiàn)象.pdf

1、本文主要是利用深低溫強磁場條件下的變磁場霍耳效應和多載流子輸運理論分析—遷移率譜分析技術(shù)，研究了硅量子點結(jié)構(gòu)、硅量子點薄膜/單晶硅異質(zhì)結(jié)體系中電子在磁場下的輸運性質(zhì)。通常，由于表面缺陷態(tài)和自然氧化層中的電荷，高阻單晶硅的表面很容易形成電子溝道。在我們研究的對象—硅量子點薄膜/單晶硅異質(zhì)結(jié)中，由于硅量子點結(jié)構(gòu)和單晶硅的電子導帶不連續(xù)，在該異質(zhì)結(jié)的界面也同樣存在電子溝道和二維電子氣。很顯然，硅量子點薄膜/單晶硅異質(zhì)結(jié)樣品的平面電導包含了三個

2、導電層平面的貢獻：硅量子點薄膜，單晶硅襯底和二者界面的二維(2D)電子氣。其中，每一個導電層中的載流子輸運參數(shù)(載流子濃度，遷移率和導電類型)和輸運特性都存在顯著差異。值得注意的是，固定磁場下傳統(tǒng)霍耳效應實驗中，由于忽略了載流子弛豫時間和能量的函數(shù)關(guān)系，是無法提取出硅量子點薄膜/單晶硅異質(zhì)結(jié)內(nèi)部每一導電層中的載流子輸運參數(shù)，僅僅是得到這三個導電層的綜合平均的載流子輸運信息。為了避免半導體襯底帶來的多層導電層的影響，以前硅量子點結(jié)構(gòu)電學性

3、質(zhì)的研究僅僅針對于玻璃襯底的樣品。但是，建立在載流子弛豫時間分布的Boltzmann輸運理論基礎上的遷移率譜分析技術(shù)可以通過變磁場霍耳效應測量(溫度1.6-300.0K，磁場≤15.0Tesla)將硅量子點薄膜/單晶硅異質(zhì)結(jié)體系中三個導電層的載流子輸運參數(shù)分別提取出來。 我們建立了變磁場霍耳效應實驗測量系統(tǒng)和遷移率譜分析的理論計算工具，并對GaAs同質(zhì)結(jié)遠紅外探測器結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)MBE樣品做了變磁場霍耳效應實驗測量和遷移率譜分析，

4、得到的結(jié)果的確能夠如實地反映了該樣品中兩個不同摻雜濃度電導層的輸運參數(shù)。同樣，對硅量子點薄膜/單晶硅異質(zhì)結(jié)體系，遷移率譜分析也能夠很好地反映出異質(zhì)結(jié)二極管的nn或pn類型結(jié)構(gòu)，這些平面電導輸運結(jié)果同異質(zhì)結(jié)的縱向電導輸運結(jié)果的結(jié)論都非常好地吻合，證實了我們的遷移率分析技術(shù)可以從變磁場霍耳效應測量結(jié)果中得到多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)每個導電層的載流子輸運參數(shù)。 在變磁場霍耳效應測量和遷移率譜分析技術(shù)的基礎上，我們通過對硅量子點薄膜的電導率和遷

5、移率的測量研究了結(jié)構(gòu)有序?qū)﹄妼W性質(zhì)的影響，從而了解襯底材料對硅量子點薄膜內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)的影響。襯底材料對硅量子點薄膜內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)的影響在高精度透射電子掃描顯微鏡實驗結(jié)果中得到了進一步的證實。我們發(fā)現(xiàn)在單晶硅襯底上沉積的硅量子點薄膜具有高度有序的低維結(jié)構(gòu)，這種有序程度較高的硅量子點體系在室溫下表現(xiàn)出擴展態(tài)電導和高遷移率(～103cm2/Vs)，但是在低溫下卻表現(xiàn)出從擴展態(tài)電導到帶尾態(tài)電導轉(zhuǎn)變的Mott遷移率邊現(xiàn)象。而玻璃襯底上沉積的硅量子點

6、薄膜內(nèi)部的有序程度很低，其室溫電子遷移率非常小，約為0.4cm2/Vs。同時，該無序體系表現(xiàn)出明顯的Mott跳躍電導。在磁場下，這兩種有序程度不同的材料在室溫下也表現(xiàn)出不同的輸運現(xiàn)象：有序硅量子點結(jié)構(gòu)中正常的負磁致電導現(xiàn)象和無序硅量子點結(jié)構(gòu)中反常的正磁致電導現(xiàn)象。我們分別用晶態(tài)半導體中的Boltzmann輸運理論，非晶態(tài)半導體中的Mott跳躍電導理論和電子波的量子干涉理論清楚地解釋了有序和無序硅量子點結(jié)構(gòu)中這些不同的電子輸運現(xiàn)象。

7、 其次，我們詳細地研究了各種不同摻雜條件對單晶硅襯底上生長的硅量子點薄膜中晶粒內(nèi)部的電子耗盡和勢壘的變化，以及由此導致電學性能的變化。由于在單晶硅襯底上沉積的硅量子點薄膜內(nèi)部，納米晶粒之間的晶界非常小，僅有幾個(2-4)原子層的厚度。因此，硅量子點薄膜具有很高的摻雜效率，電子濃度可以通過摻雜條件的變化而改變3-4個量級。同時由于晶粒表面上非晶硅晶界內(nèi)部缺陷態(tài)的存在，晶界缺陷將會導致晶粒內(nèi)部電子的耗盡，從而形成可以束縛電子的三維勢阱能帶

8、結(jié)構(gòu)。摻雜可以在很大程度上控制硅量子點薄膜內(nèi)部的電子勢壘(勢壘能量高度和勢壘寬度)。隨著摻雜濃度的增加，晶粒內(nèi)部的耗盡程度不斷減小，界面電子勢壘的能量高度不斷增加，電子在晶粒內(nèi)部的局域化程度也在增強。當雜質(zhì)濃度太高以后，雜質(zhì)濃度的增加，使得晶粒邊界上耗盡區(qū)的寬度非常小，電子勢壘寬度也變得越來越薄，大大增加了電子的透射幾率和削弱電子在晶粒內(nèi)部的局域化。同時，由于雜質(zhì)濃度太高，雜質(zhì)原子周圍電子云的重疊程度也越來越大，形成了雜質(zhì)帶電導，從而減

9、小了電子在晶粒內(nèi)部的局域化程度。我們發(fā)展了包含擴散輸運和彈道輸運機制的廣義Drude輸運理論模型，可以非常好地揭示硅量子點薄膜內(nèi)部電子能帶結(jié)構(gòu)隨摻雜濃度的變化規(guī)律，以及由此造成對遷移率的影響。同時，也較好地解釋了硅量子點結(jié)構(gòu)隨溫度變化引起的Mott遷移率邊現(xiàn)象：擴展態(tài)電導到帶尾態(tài)電導的轉(zhuǎn)變。 另外，我們詳細地研究了射頻濺射功率條件對單晶硅襯底上生長的硅量子點薄膜中晶粒尺寸和晶格應變的影響，以及導致對電子遷移率的影響。我們發(fā)現(xiàn)硅量

10、子點薄膜內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)(晶粒尺寸，晶粒內(nèi)部應變和結(jié)構(gòu)有序程度)強烈地依賴于氫原子和硅—硅鍵的相互作用和結(jié)合方式。在一定條件下，我們可以通過改變等離子體化學氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)中等離子體的射頻濺射功率來調(diào)節(jié)氫原子和硅—硅鍵的相互作用和結(jié)合方式，實現(xiàn)對氫化硅量子點微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控。隨著射頻濺射功率的增加，等離子體中分解出來氫原子的密度和動能也增加，氫原子對弱結(jié)合非晶硅鍵的刻蝕和非晶硅無序網(wǎng)絡重構(gòu)作用也增強，加快了晶核的生長速度，提高了硅

11、量子點薄膜內(nèi)部晶粒的平均尺寸。在過高的射頻濺射功率下，氫原子的刻蝕作用太強，反而會抑制晶核的生長速度，降低硅量子點薄膜內(nèi)部的晶粒平均尺寸。從生長機制上，我們知道生長過程中射頻濺射功率過高或過低，都不利于硅量子點薄膜內(nèi)部的有序結(jié)構(gòu)，并且導致Si-H2鍵的形成和氧雜質(zhì)的進入導致薄膜的氧化。由于生長過程中氫原子刻蝕作用的雙重影響作用，我們可以看到在最佳射頻濺射功率下，硅量子點薄膜的生長速度最快，硅量子點薄膜內(nèi)部的晶粒平均尺寸達到最大，約為10

12、nm。但是，過大的晶粒尺寸減輕了晶粒內(nèi)部的應力，導致晶格的應變程度最小(0.01-0.3﹪)。而在適當?shù)纳漕l濺射功率條件下可以生長出晶粒尺寸更小(～6nm)的硅量子點薄膜，其內(nèi)部存在較大的晶格應變(1-2﹪)。晶格應變可以導致電子能帶中電子的有效質(zhì)量變得更小和室溫下聲子散射的減弱。在低摻雜的條件下，有序的應變硅量子點結(jié)構(gòu)的電子遷移率因為有效質(zhì)量的減小和聲子散射的減弱可以大大提高，達到1.4×103cm2/Vs，比相同電子濃度4.9×10

13、17cm-3的單晶硅材料的電子遷移率高兩倍。雖然有序硅量子點結(jié)構(gòu)中晶格應變導致電子遷移率增加的幅度沒有單晶硅材料高[晶格應變(～1﹪)的單晶硅材料中電子遷移率可以提高到2500-3500cm2/Vs]，但是有序的應變硅量子點結(jié)構(gòu)中的電子遷移率已經(jīng)比以往玻璃襯底上沉積的硅薄膜高很多。我們運用廣義Drude輸運理論解釋了高遷移率的實驗現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)有序的應變硅量子點結(jié)構(gòu)中電子的電導有效質(zhì)量僅為未應變單晶硅中有效質(zhì)量的0.3-0.4倍左右。射頻

14、濺射功率對晶粒內(nèi)部晶格應變和有序程度的影響分別在用XRD和遠紅外透射譜實驗結(jié)果上得到證實。我們的研究成果為制備高速硅量子點結(jié)構(gòu)電子器件奠定了基礎。 射頻濺射功率條件的改變不僅影響硅量子點薄膜內(nèi)部晶粒的晶格應變，同時還對襯底單晶硅界面原子層中的晶格應變和電子能態(tài)也有重要的影響，即導致界面上形成電子溝道，其中的二維電子氣具有更高遷移率。我們對硅量子點薄膜/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極管器件在室溫下縱向輸運的單向?qū)щ姷恼餍沧隽嗽敿毜难芯浚?/p>

15、長條件(即射頻濺射功率和摻雜濃度)的改變將會引起硅量子點薄膜/單晶硅異質(zhì)結(jié)界面二維電子氣濃度的變化，對該異質(zhì)結(jié)二極管反向偏壓下的漏電流有很重要的影響。我們發(fā)現(xiàn)該類異質(zhì)結(jié)二極管的反向漏電流同其界面上二維電子氣的濃度也存在一定關(guān)系：硅量子點薄膜內(nèi)部的晶格應變程度和電子濃度的增加，提高了異質(zhì)結(jié)界面二維電子態(tài)密度，將會引起二極管的隧穿電流增大。 最后，我們還對單晶硅襯底上生長的有序硅量子點結(jié)構(gòu)在極低溫下的量子輸運現(xiàn)象做了詳細的研究工作。

16、在極低溫下，電子的德布羅意波長變得很長，因而波動特性表現(xiàn)非常明顯，造成了Boltzmann輸運理論的失效和量子力學電導修正非常顯著。另外，該類量子點體系還表現(xiàn)出磁場削弱電子波在量子點中的干涉效應而導致的磁場退局域化現(xiàn)象，即反常的正磁致電導現(xiàn)象。我們分別用標度理論和量子干涉輸運理論較好地解釋這些輸運現(xiàn)象。在極低溫下，電子動能非常小，被局域化在硅納米晶粒中。我們還研究了硅量子點薄膜/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極管在強電場下的縱向電學輸運，清楚地觀測到了

17、豐富量子共振隧穿現(xiàn)象：負微分電導(3D-2D)，費米面奇異性現(xiàn)象(2D-0D)，和耦合量子點之間(0D-0D)的量子共振隧穿現(xiàn)象。我們用量子共振隧穿理論清楚地解釋了這些量子共振隧穿現(xiàn)象。同時還發(fā)現(xiàn)一些目前尚無法清楚解釋的實驗現(xiàn)象，如量子共振隧穿的電流—電壓(I-V)曲線在磁場下的漂移現(xiàn)象等。這些量子輸運過程的研究對硅量子點結(jié)構(gòu)中量子共振隧穿等光電子器件的開發(fā)有著重要的意義。 以上的研究得到了國家自然科學基金(60006005，1