纳米尺度金属—半导体接触的电学特性研究

题名:纳米尺度金属—半导体接触的电学特性研究
作者:宋君强
学位授予单位:复旦大学
关键词:纳米点:8800,肖特基接触:3900,半导体接触:1984,肖特基势垒高度:808,半导体技术:600,欧姆接触:588,电学特性:567,正向偏压:565,表面态:542,反向偏压:537,衬底:371,传输特征:357,纳米线:330,纳米结构:304,势垒层:288,热电子发射理论:280,电学性质:246,有效势垒高度:204,零偏压:194,表面效应:194
摘要:
 金属一半导体接触(欧姆接触和肖特基接触)是所有半导体电子器件和光电子器件的核心结构之一。随着半导体器件的尺寸越来越小,尤其是Neodymium Magnets降低到纳米尺度,需要对这些纳米器件的性能进行深入研究。而纳米尺寸的金属-半导体接触正是纳米器件研究领域的方向之一。制备在半导体表面的金属纳米接触,因为与目前的微电子技术有很好的兼容性而被广泛关注。同时,稀土金属硅化物具有较高的电导率,在N型硅上有低的肖特基势垒,而在P型硅上有高的肖特基势垒。因此,这些硅化物纳米结构在未来纳米半导体器件如欧姆互连、光电器件等方面具有很重要的应用价值。
 在本论文的工作中,我们主要研究硅基硅化铒纳米金属-半导体接触的制备和电学性质。主要工作和创新点如下：
 1.运用原位超高真空扫描隧道显微镜(UHV—STM)实现对Si(001)和Si(111)面上硅化铒纳米结构形貌的研究,通过调节覆盖度,退火温度以及退火时间这三个生长条件实现对硅化铒纳米结构形貌和体相结构的生长调控。经过高温750℃退火,在Si(001)面制备出具有四方晶格结构和高质量界面的硅化饵纳米岛。这些预金字塔形状的纳米岛具有相对较宽的尺寸范围,长度从几纳米到上百纳米,宽度从几纳米到几十纳米,高度在3-9 nm之间。进而对这些纳米岛周围的衬底表面进行高分辨STM成像,结果显示衬底表面主要由Si的二聚体链和Er引起的微结构组成。对于Si(111)面硅化铒纳米结构的STM研究发现,在低的Er覆盖度(0.5 ML)下,通过低温(<600℃和700℃)连续退火,可形成长度为200-500 nm硅化铒纳米线。这些纳米线的形成机制完全不同于Si(001)面硅化铒纳米线的形成机制-晶格失配机制,而是二维(2D)三角形状的硅化铒岛在热动力驱使下不断合并熟化的结果。而在较高的Er覆盖度(0.8 ML)下,通过700℃退火,形成三维(3D)和二维(2D)硅化铒岛。继续在750℃退火后,亚稳的2DErSi2岛分解。由于Si(111)面形成的3DErSi1.7岛尺寸通常在上百纳米,而尺寸相对较小的2DErSi2岛又是亚稳的,因此我们选择高温制备在Si(001)面上的硅化铒纳米岛作为纳米金属-半导体接触研究的对象。
 2.利用原位超高真空扫描隧道显微镜(UHV—STM)实现对硅化铒纳米岛/p-Si(001)纳米肖特基接触的电学性质研究。通过降低STM针尖与金属硅化铒岛接触,之后扫描电压,同时记录电流,获得硅化铒岛/p-Si(001)纳米接触的I-V特征。测量结果显示,硅化铒纳米肖特基接触仍然具有整流特性,但是其电流密度比宏观硅化铒肖特基接触要大至少五个数量级,并且表现出明显的尺寸依赖,即通过接触的电流密度随接触面http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets积降低而增大。进一步研究发现,硅化铒纳米肖特基接触的有效肖特基势垒高度(0.28-0.32 eV)远小于宏观硅化铒肖特基接触的势垒高度(0.73 eV)。分析表明,隧穿和镜像力降低是导致有效肖特基势垒降低的可能原因。然而,我们在实验中也发现,硅化铒纳米肖特基接触的I-V特征对真窄腔内的残留气体表面吸附十分敏感。经过24小时的表面吸附后,其有效肖特基势垒高度可被提高约0.1 eV。这表明硅化铒纳米岛周围的Si表面态对硅化铒纳米肖特基接触的I-V特征有强烈影响。
 3.利用O2和NH3表面吸附实验研究了硅化铒纳米肖特基接触的表面效应。分别利用O2和NH3对硅化铒纳米岛周围的Si衬底表面态进行逐步修正,研究硅化铒纳米肖特基接触I-V特征对衬底表面态电了特性的依赖。实验结果表明,随着O2和NH3吸附量的增加,在反向偏压下,,一个类似欧姆接触的传输通道被不断抑制；而在正向偏压下,一个类似二极管的传输通道被不断抑制。这表明由表面态(或表面电子特性)控制的电流传输通道,在反向偏压下表现为类欧姆接触的传输特征,而正向偏压下表现为类二极管的传输特征。进一步,基于能带弯曲理论,分析了ErSi2纳米肖特基接触的周围表面态对其影响的物理机制。我们建议在ErSi2岛与Si衬底之间有三个可能的电流通道,即表面态带通道,表面空间电荷层通道和界面空间电荷层通道。其中,前两个导电通道受Si表面电子特性影响。在反向偏压下,电流主要经表面态带通道传导,其他两个通道为高势垒通道；而正向偏压下,这三个通道可能都是有效的电流传输通道。我们的实验结果和理论分析对进一步研究纳米金属半导体接触的表面效应具有重要意义。
 4.研究了硅化铒化学不稳定性带来的影响。在气体表面吸附试验中,我们注意到ErSi2岛长时间暴露在氧气和氨气氛围中会导致其很快“氧化”。由于ErSi2表面吸附过多的O2和NH3分子,这些分子不断与ErSi2反应,从而导致STM针尖与ErSi2岛之间的接触电阻急剧上升,致使I-V测量无法反映接触的界面信息而无意义。因此,由于硅化铒的易“氧化”特性,使得消除表面效应的影响和制备高质量的ErSi2岛纳米肖特基接触遇到极大的障碍。可能的方法是通过别的手段来消除表面效应,或者选择具有高化学稳定性的金属材料来制备纳米接触。
学位年度:2009