發(fā)布時間：2018-11-16 14:22

【摘要】：隨著芯片特征尺寸的不斷減小,傳統(tǒng)半導體技術正在逼近物理極限,業(yè)界開始尋找新的方案來替換目前流行的硅工藝技術。寬禁帶半導體以及自旋電子器件等技術的崛起讓業(yè)界看到了新的希望。其中,寬禁帶半導體也被稱為第三代半導體。相對前兩代半導體,它們具有更大的帶寬、更高的擊穿電壓以及更大的飽和電子漂移率等特性,更適于構造性能良好的高頻高速器件、功率器件、發(fā)光器件以及高密度集成器件等,在集成電路、電子通信以及光電等領域都存在了很大的市場潛力。而當芯片特征尺寸與電子的de Broglie波長相比擬時,就會出現(xiàn)一系列的量子效應,這些效應如果考慮不周,可能會給當前的電子線路帶來危害。但是反過來,如果能夠掌控并利用這些效應,構造出相應的量子自旋器件,則能使得器件工作于更低功耗、更高集成密度的場景,這必將大大提高集成電路的信息處理能力。透明導電氧化物(TCO)半導體是寬禁帶半導體中的一大分支,有望在場效應晶體管(FET)、隱形電子器件以及平板顯示等多方面發(fā)揮巨大的作用。然而相對于傳統(tǒng)的n型TCO半導體,p型TCO較低的導電性及透過率在一定程度上阻礙了TCO器件的發(fā)展。CuCr1-xMgxO2(CCMO)是同類型結構中電導性能最好的p型半導體。同時,其獨特的磁電特性讓它在自旋電子器件領域也有非常光明的應用前景,因此近年來成為了一大研究熱點。本文對CCMO樣品的多種特性進行了表征分析及模型建立,并利用這些獲得的特征參數(shù)構造出性能良好的TCO異質(zhì)結器件,有望加速其在新一代室溫電子器件方面的應用。當然,隨著半導體器件向著低功耗、高頻率等特性方向發(fā)展的同時,其特征信號的捕獲也變得越來越具有挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的測量技術已經(jīng)越來越難以滿足精密性和速度等方面的需求,尤其是在新型半導體器件研發(fā)過程中經(jīng)常伴隨的高頻、強磁場以及極限溫度等復雜環(huán)境下,如何準確獲取器件參數(shù)是業(yè)界正在考慮的問題。本研究工作針對以上提出的一些技術挑戰(zhàn),研發(fā)了兼具精度、速度、穩(wěn)定易用等特性的輸運數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),以便在研發(fā)新型半導體器件的過程中起到一定的推動作用。本文的主要工作和創(chuàng)新點包括以下幾點：1.研發(fā)了基于數(shù)字鎖相放大技術的輸運數(shù)據(jù)實時測量系統(tǒng)以及復雜環(huán)境下自動化半導體電學特性采集分析系統(tǒng)。其中數(shù)字鎖相輸運實時測量系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點如下：(a)利用數(shù)字鎖相技術采集交流信號,采用了獨立的編程可控信號源,并引進相位標記技術給鎖相放大器提供參考信號。整個系統(tǒng)能夠實現(xiàn)良好的噪聲抑制,兼具測量精度與速度,并能研究交流輸運特性。(b)測量由程序控制自動進行,速度相對于其他傳統(tǒng)方法提高了數(shù)十倍。信號實時采集,測量結果準確并且密集。(c)程序架構設計合理,主體使用狀態(tài)機以及生產(chǎn)者消費者等設計模式,穩(wěn)定性和可擴展性強。而半導體電學特性采集分析系統(tǒng)主要創(chuàng)新點如下：(a)本系統(tǒng)可進行深低溫、強磁場等復雜環(huán)境下的多種半導體電學參數(shù)的測量,經(jīng)過后臺算法對數(shù)據(jù)進行處理后,最終結果將自動保存為設定的數(shù)據(jù)格式。(b)程序控制自動化進行變磁場、變溫輸運的測量。前面板擁有良好的人機交互界面,可實時顯示特性曲線及特征參數(shù)。各項功能利用事件結構中的動態(tài)調(diào)用,實現(xiàn)良好的解耦特性,增強了程序架構的穩(wěn)定性。(c)整個系統(tǒng)屏蔽措施良好,測量結果精確�？删_提供皮安級別的恒定電流以及獲得納伏級別的電阻電壓和霍爾電壓,能夠精確測量超低或者超高電阻值樣品的磁電特性。測量技術主要采用范德堡法,對樣品形狀要求低。程控自動切換引腳,增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及速度。(d)能研究復雜環(huán)境下不同光照對樣品各種輸運特性的影響及復雜環(huán)境下的光生載流子特性。并且樣品與光源完全隔離,可以忽略光源發(fā)熱對樣品的影響。2.結合太赫茲反射譜與霍爾測試,深入研究了CCMO樣品的載流子動力學。研究結果表明：(a)CCMO樣品的太赫茲反射譜在15 THz左右的峰位被識別為特征峰,并且該特征峰中心隨溫度升高而出現(xiàn)紅移。在低于6 THz的頻率范圍內(nèi),其自由載流子吸收效應變得更加突出。(b)對于x=0.02,0.06,和0.10的樣品,霍爾系數(shù)的溫度依賴趨勢分別在220,206和194 K下顯示了一個轉折點。該現(xiàn)象可以歸因于載流子輸運機制從熱激活模式轉變?yōu)槿S變程躍遷模式。(c)通過使用Lorentz-Drude模型對太赫茲譜進行擬合計算,能夠獲得與電學表征手段得到的基本一致的電學特性,該方法為在電學測量出現(xiàn)困難的時候提供另一種獲得樣品電學參數(shù)的路徑。3.通過對CCMO的光電磁等多項特性進行表征和擬合計算,詳細分析了其能帶結構、躍遷模型以及振動模式等。研究結果表明：(a)結合Tauc-Lorentz模型對CCMO的變溫透射譜進行擬合計算,證明其價帶頂由Cr 3d特性主導。Cr離子的自旋-軌道相互作用使CCMO的3d態(tài)更加分散,從而可以導致比較高的導電特性。(b)在熒光譜1.8 eV附近發(fā)現(xiàn)了強烈的激子激發(fā),這是由CCMO天然低維度結構引起的,并且可通過溫度和空穴濃度調(diào)制。(c)對于x=0.02和0.04的樣品,發(fā)現(xiàn)了異常的帶隙溫度依賴特性。在低溫區(qū),隨著溫度的減小,帶隙顯示紅移。這是由Cr-O-Cu在價帶的上半部分強烈的相互作用引起的。該相互作用同樣也導致了拉曼振子Eg的異常溫度依賴特性。這個效應可以通過增大Mg組分而削弱。(d)通過結合極低溫度下低頻太赫茲譜及磁阻震蕩的研究,建立了考慮自旋反轉效應修正的躍遷能級模型。(e)在20 K左右CCMO會經(jīng)歷連續(xù)兩個磁相變過程。在相變過程中,其內(nèi)在結構由平面轉為螺旋立體結構,這使得x=0.06和0.10的樣品在最低的溫度范圍內(nèi)Eg和Eu振動模式隨溫度下降重新出現(xiàn)紅移模式。4.設計了基于CCMO的異質(zhì)結器件,通過研究其電流-電壓(I-V)特征曲線及磁場下的電學特性,詳細討論了其內(nèi)在輸運機制,探討了該類器件室溫應用的前景。研究成果如下：(a)成功研制了以p型半導體CCMO為基礎的異質(zhì)結器件,該器件具有良好的電學特性。(b)磁場下界面附近的自旋向下載流子和遠離界面區(qū)域的自旋向上的載流子的反平行自旋極化之間的散射導致了的該異質(zhì)結樣品的正磁阻效應。(c)在低偏壓區(qū)域,該器件的電流是由隧穿效應支配的,并且在室溫下存在可控的磁阻效應,表明其非常適合于構造低功耗隧穿電子器件。
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【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN304
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本文編號：2335753