砷化銦納米線基電子器件的制備及輸運性質研究

發(fā)布時間：2020-08-12 10:58

【摘要】：半導體納米線因其載流子在兩個維度上運動受限,從而表現(xiàn)出優(yōu)異的準一維載流子輸運特性,而且憑借著自下而上的可控制備、以及與CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互補金屬氧化物半導體)工藝有較好的兼容性等特點,半導體納米線器件有望成為未來納電子學、納光電子學中最有希望的器件之一。在眾多的半導體納米線中,InAs納米線以其窄帶隙、極高的電子遷移率、極小的電子有效質量、大的朗德g因子以及強的自旋軌道耦合等特點,成為研制高性能場效應晶體管等新型電子器件的理想材料。本論文圍繞單根InAs納米線基電子器件的制備及其輸運性質進行研究。首先,采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,簡稱MBE)技術在Si襯底上自催化生長了 InAs納米線,繼而,以InAs納米線為導電通道材料,制備并研究了三類電子器件:InAs納米線自旋注入器件、InAs納米線阻變器件以及InAs納米線頂柵自對準場效應晶體管,論文的主要創(chuàng)新性成果如下:(1)在Si(111)襯底上制備了自組織InAs納米線,證明InAs納米線以閃鋅礦和纖鋅礦的混合相形式存在,并且伴隨著大量層錯。在兩端InAs納米線自旋注入器件中,通過局域測試,獲得了較大的自旋信號,同時證明InAs納米線的自旋擴散長度為1.9 μm。分析發(fā)現(xiàn),為了在兩端半導體自旋注入器件中獲得巨大的自旋信號,不但要求半導體材料具有較長的自旋擴散長度,而且器件的接觸電阻要足夠大。在四端InAs納米線自旋注入器件中,通過非局域測試,研究了勢壘層厚度變化對微分電阻以及自旋注入的影響,發(fā)現(xiàn)自旋信號對器件勢壘層厚度非常敏感,當Al2O3勢壘層厚度增加到3 nm時,測到4.2%的磁電阻,使用一維自旋擴散方程,得到InAs納米線的自旋擴散長度為1.84 μm,與局域測試法得到的自旋擴散長度基本吻合。在電化學鼓泡法轉移單晶石墨烯的基礎上,嘗試制備了以單晶石墨烯作為勢壘層介質的新型InAs納米線自旋注入器件,與使用MgO、Al2O3作為勢壘層材料的器件相比,雖然新型器件的磁電阻值較小,約為12.8%,但器件自旋信號更大,計算得到InAs納米線的自旋擴散長度達到2.18 μm。(2)在以Pt為電極的InAs納米線器件中觀測到明顯的阻變行為,耐力循環(huán)測試及時間穩(wěn)定性測試均表明器件穩(wěn)定性良好。器件低阻態(tài)和高阻態(tài)阻值都分布在一個較窄的區(qū)間,Vset處于mV量級且分布范圍窄,器件因此在能耗方面具有優(yōu)勢。通過對器件正電壓區(qū)間I-V曲線擬合,發(fā)現(xiàn)高阻態(tài)符合肖特基導電機制,而低阻態(tài)先服從空間電荷限制電流(Space Charge Limited Current,簡稱SCLC)導電機制,之后轉變?yōu)闅W姆導電機制,據此我們提出器件的阻變機制:高阻態(tài)的出現(xiàn)是由于InAs納米線表面存在氧化層,從而InAs納米線與Pt的接觸面具有較大的肖特基勢壘,器件處于高阻態(tài);當電壓增大到Vset時,氧化層中的氧空位遷移至Pt接觸面,極大降低了勢壘,器件進入低阻態(tài),此時導電機制以氧化層的SCLC為主導,隨著電壓的降低,器件電流進一步減小,由于氧化層中的熱激發(fā)電子足夠滿足歐姆導電的需求,此時歐姆導電起主導作用。(3)制備了單根InAs納米線頂柵自對準器件,研究了器件的直流特性。通過對比背柵器件、普通頂柵器件以及頂柵自對準器件,發(fā)現(xiàn)通過T形柵自對準設計,尤其是在工藝中使用磁控濺射使得源柵間距進一步減小,器件特性得到極大提升,其中歸一化輸出電流高達70 μA/μm,InAs納米線場效應遷移率達到1000 cm2/Vs,峰值跨導達到了 4.3 μS,開關比Ion/Ioff提高到了 104量級,亞閾值擺幅(Subthreshold Swing,簡稱SS)降低到了 660 mV/dec。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN36;TB383.1
【圖文】：

分布圖,砷化銦,關鍵詞,年份

學器件、納米生物傳感器件等重要領域的關鍵材料打好基礎，現(xiàn)在全球科研逡逑人員正在全力攀登納米科技高峰，已經取得了不少令人矚目的成績，納米材逡逑料已經成為了極具價值、對社會生活、經濟發(fā)展有重要影響的新材料。圖２－１逡逑是近二十年來有關納米線研究論文數量的變化，可以看到進入２１世紀后，作逡逑為納米材料之一，納米線研究得到了迅猛的發(fā)展。逡逑７０００逡逑６０００逡逑Ｋｅｙ邋Ｗｏｒｄｓ：邋Ｎａｎｏｗｉｒｅ逡逑５０００邐｜逡逑Ｉ４０００邐．ｉｌｌ逡逑ＬＪｉ逡逑１９９６邐２０００邐２００４邐２００８邐２０１２邐２０１６逡逑Ｙｅａｒ逡逑圖２－１邋Ｗｅｂ邋ｏｆ邋ｓｃｉｅｎｃｅ上搜索關鍵詞Ｎａｎｏｗｉｒｅ獲得的文章數置年份分布圖逡逑２．２砷化銦（ＩｎＡｓ）材料逡逑ＩＩＩ－Ｖ族半導體以其優(yōu)異的性能使得它們被廣泛研究，其中ＩｎＡｓ材料被逡逑廣泛應用于光電探測器中，其基本的物理性質己經得到了非常系統(tǒng)的研究。逡逑ＩｎＡｓ材料在自然界中以纖鋅礦（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ，簡稱ＷＺ）和閃鋅礦（Ｚｉｎｃ－Ｂｌｅｎｄｅ，簡逡逑稱ＺＢ）結構存在。常溫下，ＩｎＡｓ以ＺＢ結構為主，如圖２－２（ａ）所示，具有四面逡逑體結構，其空間群為Ｔｄ２－Ｆ４３ｍ，每個Ａｓ（Ｉｎ）原子處于四個最近鄰Ｉｎ（Ａｓ）原子逡逑四面體中心

能帶結構,電子遷移率,德拜溫度,間隙

Ｉｎ－Ａｓ原子鍵長為２．６２３邋Ａ，本征電阻率０．１６邋Ｑｃｍ，熱導率為０．２７邋Ｗｃｍ＾ＣＴ１，逡逑德拜溫度２８０邋Ｋ，熱擴散系數０．１９邋ｃｍ２ｓ＿１［３］。ＷＺ結構ＩｎＡｓ是具有六角密排結逡逑構，如圖２－２（ｂ）所示。通常其晶格常數為ａ邋＝邋４．２８４邋Ａ，ｃ邋＝邋６．９９５邋Ａ，ｃ／ａ邋＝邋１．６３ｍ。邐．逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑乻ｉｆ逡逑圖２－２邋ＩｎＡｓ材料的晶體結構逡逑（ａ）閃鋅礦（ｂ）纖鋅礦逡逑ＩｎＡｓ的能帶結構如圖２－３所示［４］，從圖中可以看出在點的位置其能帶間逡逑的間隙為直接間隙，其禁帶寬度為０．３５邋ｅＶ。由于雜質元素的影響，未摻雜的逡逑ＩｎＡｓ通常表現(xiàn)為ｎ型半導體［５］，體材料ＩｎＡｓ具有很高的電子遷移率，室溫下逡逑達到士邋＝邋３ｘｌ０４ｃｍ２／Ｖｓ，７７Ｋ的時候為３ｘｌ0４ｃｍ２／Ｖｓ，比ＧａＡｓ電子遷移率逡逑高出數倍［６］。逡逑Ｅｎｅｒｇｙ邋３００邋Ｋ邋Ｅｆｆ＝０邋３５ｅＶ逡逑￡ｔ＝１邋０８邋ｅＶ逡逑Ｇａｌｌｅｙ邐Ｅｘ＝１．３７ｅＶ逡逑ｒ－ｖａｌｌｅｙ邐￡？＝０．４１邋ｅＶ逡逑＼邐＾－－ｖａｌｌｅｙ逡逑￡邋Ｅｌ逡逑９逡逑＜１00＞邋，邋０邋，，邋＜１１１＞逡逑￣Ｗａｖｅ邋ｖｅｃｔｏｒ￣逡逑￡邐（邋＼邐

晶體結構,電子遷移率,德拜溫度,間隙