納米尺度金屬—半導體接觸的電學特性研究.pdf

1、金屬-半導體接觸(歐姆接觸和肖特基接觸)是所有半導體電子器件和光電子器件的核心結(jié)構(gòu)之一。隨著半導體器件的尺寸越來越小，尤其是降低到納米尺度，需要對這些納米器件的性能進行深入研究。而納米尺寸的金屬-半導體接觸正是納米器件研究領域的方向之一。制備在半導體表面的金屬納米接觸，因為與目前的微電子技術有很好的兼容性而被廣泛關注。同時，稀土金屬砬化物具有較高的電導率，在N型硅上有低的肖特基勢壘，而在P型硅上有高的肖特基勢壘。因此，這些硅化物納米結(jié)構(gòu)

2、在未來納米半導體器件如歐姆互連、光電器件等方面具有很重要的應用價值。
　　在本論文的工作中，我們主要研究硅基硅化鉺納米金屬-半導體接觸的制備和電學性質(zhì)。主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.運用原位超高真空掃描隧道顯微鏡(UHV-STM)實現(xiàn)對Si(001)和Si(111)面上硅化鉺納米結(jié)構(gòu)形貌的研究，通過調(diào)節(jié)覆蓋度，退火溫度以及退火時間這三個生長條件實現(xiàn)對硅化鉺納米結(jié)構(gòu)形貌和體相結(jié)構(gòu)的生長調(diào)控。經(jīng)過高溫750℃退火，在Si(00

3、1)面制備出具有四方晶格結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量界面的硅化鉺納米島。這些預金字塔形狀的納米島具有相對較寬的尺寸范圍，長度從幾納米到上百納米，寬度從幾納米到幾十納米，高度在3-9nm之間。進而對這些納米島周圍的襯底表面進行高分辨STM成像，結(jié)果顯示襯底表面主要由Si的二聚體鏈和Er引起的微結(jié)構(gòu)組成。對于Si(111)面硅化鉺納米結(jié)構(gòu)的STM研究發(fā)現(xiàn)，在低的Er覆蓋度(0.5ML)下，通過低溫(<600℃和700℃)連續(xù)退火，可形成長度為200-500

4、nm硅化鉺納米線。這些納米線的形成機制完全不同于Si(001)面硅化鉺納米線的形成機制-晶格失配機制，而是二維(2D)三角形狀的硅化鉺島在熱動力驅(qū)使下不斷合并熟化的結(jié)果。而在較高的Er覆蓋度(0.8ML)下，通過700℃退火，形成三維(3D)和二維(2D)硅化鉺島。繼續(xù)在750℃退火后，亞穩(wěn)的2DErSi2島分解。由于Si(111)面形成的3DErSi1.7島尺寸通常在上百納米，而尺寸相對較小的2DErSi2島又是亞穩(wěn)的，因此我們選擇高

5、溫制備在Si(001)面上的硅化鉺納米島作為納米金屬-半導體接觸研究的對象。
　　2.利用原位超高真空掃描隧道顯微鏡(UHV-STM)實現(xiàn)對硅化鉺納米島/p-Si(001)納米肖特基接觸的電學性質(zhì)研究。通過降低STM針尖與金屬硅化鉺島接觸，之后掃捕電壓，同時記錄電流，獲得硅化鉺島/p-Si(001)納米接觸的Ⅰ-Ⅴ特征。測量結(jié)果顯示，硅化鉺納米肖特基接觸仍然具有整流特性，但是其電流密度比宏觀硅化鉺肖特基接觸要大至少五個數(shù)量級，并且

6、表現(xiàn)出明顯的尺寸依賴，即通過接觸的電流密度隨接觸面積降低而增大。進一步研究發(fā)現(xiàn)，硅化鉺納米肖特基接觸的有效肖特基勢壘高度(0.28-0.32 eV)遠小于宏觀硅化鉺肖特基接觸的勢壘高度(0.73 eV)。分析表明，隧穿和鏡像力降低是導致有效肖特基勢壘降低的可能原因。然而，我們在實驗中也發(fā)現(xiàn)，硅化鉺納米肖特基接觸的Ⅰ-Ⅴ特征對真空腔內(nèi)的殘留氣體表面吸附十分敏感。經(jīng)過24小時的表面吸附后，其有效肖特基勢壘高度可被提高約0.1eV。這表明硅化

7、鉺納米島周圍的Si表面態(tài)對硅化鉺納米肖特基接觸的Ⅰ-Ⅴ特征有強烈影響。
　　3.利用O2和NH3表面吸附實驗研究了硅化鉺納米肖特基接觸的表面效應。分別利用O2和NH3對硅化鉺納米島周圍的Si襯底表面態(tài)進行逐步修正，研究硅化鉺納米肖特基接觸Ⅰ-Ⅴ特征對襯底表面態(tài)電子特性的依賴。實驗結(jié)果表明，隨著O2和NH3吸附量的增加，在反向偏壓下，一個類似歐姆接觸的傳輸通道被不斷抑制；而在正向偏壓下，一個類似二極管的傳輸通道被不斷抑制。這表明由表

8、面態(tài)(或表面電子特性)控制的電流傳輸通道，在反向偏壓下表現(xiàn)為類歐姆接觸的傳輸特征，而正向偏壓下表現(xiàn)為類二極管的傳輸特征。進一步，基于能帶彎曲理論，分析了ErSi2納米肖特基接觸的周圍表面態(tài)對其影響的物理機制。我們建議在ErSi2島與Si襯底之間有三個可能的電流通道，即表面態(tài)帶通道，表面空間電荷層通道和界而空間電荷層通道。其中，前兩個導電通道受Si表而電子特性影響。在反向偏壓下，電流主要經(jīng)表面態(tài)帶通道傳導，其他兩個通道為高勢壘通道；而正向

9、偏壓下，這三個通道可能都是有效的電流傳輸通道。我們的實驗結(jié)果和理論分析對進一步研究納米金屬半導體接觸的表面效應具有重要意義。
　　4.研究了硅化鉺化學不穩(wěn)定性帶來的影響。在氣體表面吸附試驗中，我們注意到ErSi2島長時間暴露在氧氣和氨氣氛圍中會導致其很快“氧化”。由于ErSi2表面吸附過多的O2和NH3分子，這些分子不斷與ErSi2反應，從而導致STM針尖與ErSi2島之間的接觸電阻急劇上升，致使Ⅰ-Ⅴ測量無法反映接觸的界而信息而