硅基納米結構及功能氧化物薄膜的分子束外延生長與特性研究.pdf

1、隨著半導體技術的進步，人們越來越面臨兩方面的挑戰(zhàn)，一方面，隨著集成度的日益提高，器件的尺寸不斷的減小，其已經(jīng)越來越接近傳統(tǒng)半導體器件的物理極限，這時器件中的載流子的行為越來越多地顯示了波動性，這對于傳統(tǒng)半導體器件是非常不利的，這種波動性會在柵極形成隧穿電流從而急劇增大漏電流，因此人們發(fā)展了高κ柵介質材料來取代原來的SiO2柵介質，從另一個角度出發(fā)，人們開始著手研制利用粒子的波動性來達到計算目的的量子計算機，量子計算機的組成的基本單元是量

2、子比特，量子比特可以是磁場中的一個電子，或者是處于兩個能級之間的粒子等等。這其中，量子點作為一種人工原子被認為是一種實現(xiàn)量子比特的方式，因而引起人們的關注。除此之外，量子點在其他領域，如光電子等方面也有廣泛的應用，另一方面，人們對于存儲的要求越來越廣泛。非易失性存儲器就是一個重要的方面.非易失性存儲器在切斷外部電源之后，其中保存的信息仍然存在，這就可以大大減少能源消耗，而且即使在意外斷電的情況下也不會丟失重要信息，因此成為目前研究的一個

3、熱點。本論文從這兩方面出發(fā)研究了量子點/量子環(huán)相關的生長問題和功能氧化物薄膜的生長及其物理性質。
　　鍺硅量子點上在300℃覆蓋了50nm的硅層經(jīng)過在640℃原位退火，在表面出現(xiàn)了深度大約為8nm邊界沿著(110)的方形納米坑，通過截面TEM觀察到每個納米坑的正下方都有一個量子點與之對應，在540℃原位退火實驗揭示了硅原子在納米坑形成過程中的細致的遷移過程，最后形成的納米坑的輪廓是應變能和表面能雙重作用下形成的，納米坑在640℃下

4、是穩(wěn)定的，在這些納米坑的表面生長鍺會在納米坑周圍形成鍺硅量子點分子。
　　通過在鍺硅量子點上覆蓋硅層得到的量子環(huán)的尺寸均勻性與生長溫度和量子點的密度有很大關聯(lián)，較高的生長溫度對量子點的尺寸均勻性有利，然而這會導致鍺含量的降低以及鍺的非對稱分布，這會引起轉換后的量子環(huán)也是非對稱的，有的甚至會破裂。低溫生長會導致量子點以及與之對應的量子環(huán)的尺寸均勻性下降，高的量子點面密度會導致在覆蓋硅層時鄰近的量子點在膨脹的同時互相連接起來形成一條鏈

5、而不是量子環(huán)，通過優(yōu)化在生長溫度為640℃時得到了尺寸均勻的量子環(huán)，其尺寸偏差為4.6％，密度為7.8×108cm-2。
　　我們在有序模板上生長了量子環(huán)，結合納米球光刻技術和反應離子刻蝕技術可以在硅(001)襯底上制備出不同周期和單點尺寸可調的有序模板，實驗中使用的納米球的直徑是430nm，因而得到的有序鍺硅量子環(huán)的周期也是430nm，得到的量子環(huán)的尺寸與形狀與被覆蓋的鍺硅量子點以及覆蓋過程有密切聯(lián)系，統(tǒng)計分析表明覆蓋溫度越高和

6、退火時間越長，橫向尺寸的均勻性越高。
　　我們在Si(100)襯底上生長了β-MnO2薄膜并對其微結構進行了表征，實驗發(fā)現(xiàn)通過摻Er可以極大地提高β-MnO2薄膜的熱穩(wěn)定性，尤其在Er含量為6％時得到了在生長方向上取向接近的β-MnO2晶粒組成的薄膜。
　　我們接著研究了β-MnO2薄膜的電學和磁學性質，研究發(fā)現(xiàn)薄膜在退火前后具有不同的記憶效應，即未退火時的記憶效應是由于界面處的電荷陷阱造成的；退過火的樣品的記憶效應是由于β

7、-MnO2的鐵電性質造成的，未退火的樣品在低溫下具有鐵磁性，這是由Er子晶格的磁矩形成的，經(jīng)過退火的樣品，40K附近發(fā)生鐵磁轉變.這一鐵磁性可能是由于Er3+離子與Mn4+離子之間的交換相互作用引起的，在50K附近，由于在晶粒中形成了磁渦旋，磁滯回線呈現(xiàn)小的矯頑力和剩余磁矩，通過低溫下測量不同磁場配置條件下的磁滯回線，發(fā)現(xiàn)磁化方向在薄膜生長方向是難磁化軸，在樣品平面內存在易磁化軸，由此可知β-MnO2的[100]和[010]方向是難磁化