發(fā)布時(shí)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(dǎo)體技術(shù)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(shù)。寬禁帶半導(dǎo)體以及自旋電子器件等技術(shù)的崛起讓業(yè)界看到了新的希望。其中,寬禁帶半導(dǎo)體也被稱為第三代半導(dǎo)體。相對(duì)前兩代半導(dǎo)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(gòu)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(lǐng)域都存在了很大的市場(chǎng)潛力。而當(dāng)芯片特征尺寸與電子的de Broglie波長相比擬時(shí),就會(huì)出現(xiàn)一系列的量子效應(yīng),這些效應(yīng)如果考慮不周,可能會(huì)給當(dāng)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(yīng),構(gòu)造出相應(yīng)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(chǎng)景,這必將大大提高集成電路的信息處理能力。透明導(dǎo)電氧化物(TCO)半導(dǎo)體是寬禁帶半導(dǎo)體中的一大分支,有望在場(chǎng)效應(yīng)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(duì)于傳統(tǒng)的n型TCO半導(dǎo)體,p型TCO較低的導(dǎo)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(jié)構(gòu)中電導(dǎo)性能最好的p型半導(dǎo)體。同時(shí),其獨(dú)特的磁電特性讓它在自旋電子器件領(lǐng)域也有非常光明的應(yīng)用前景,因此近年來成為了一大研究熱點(diǎn)。本文對(duì)CCMO樣品的多種特性進(jìn)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(gòu)造出性能良好的TCO異質(zhì)結(jié)器件,有望加速其在新一代室溫電子器件方面的應(yīng)用。當(dāng)然,隨著半導(dǎo)體器件向著低功耗、高頻率等特性方向發(fā)展的同時(shí),其特征信號(hào)的捕獲也變得越來越具有挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)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(dǎo)體器件研發(fā)過程中經(jīng)常伴隨的高頻、強(qiáng)磁場(chǎng)以及極限溫度等復(fù)雜環(huán)境下,如何準(zhǔn)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(duì)以上提出的一些技術(shù)挑戰(zhàn),研發(fā)了兼具精度、速度、穩(wěn)定易用等特性的輸運(yùn)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),以便在研發(fā)新型半導(dǎo)體器件的過程中起到一定的推動(dòng)作用。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：1.研發(fā)了基于數(shù)字鎖相放大技術(shù)的輸運(yùn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)以及復(fù)雜環(huán)境下自動(dòng)化半導(dǎo)體電學(xué)特性采集分析系統(tǒng)。其中數(shù)字鎖相輸運(yùn)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：(a)利用數(shù)字鎖相技術(shù)采集交流信號(hào),采用了獨(dú)立的編程可控信號(hào)源,并引進(jìn)相位標(biāo)記技術(shù)給鎖相放大器提供參考信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的噪聲抑制,兼具測(cè)量精度與速度,并能研究交流輸運(yùn)特性。(b)測(cè)量由程序控制自動(dòng)進(jìn)行,速度相對(duì)于其他傳統(tǒng)方法提高了數(shù)十倍。信號(hào)實(shí)時(shí)采集,測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確并且密集。(c)程序架構(gòu)設(shè)計(jì)合理,主體使用狀態(tài)機(jī)以及生產(chǎn)者消費(fèi)者等設(shè)計(jì)模式,穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。而半導(dǎo)體電學(xué)特性采集分析系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：(a)本系統(tǒng)可進(jìn)行深低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境下的多種半導(dǎo)體電學(xué)參數(shù)的測(cè)量,經(jīng)過后臺(tái)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,最終結(jié)果將自動(dòng)保存為設(shè)定的數(shù)據(jù)格式。(b)程序控制自動(dòng)化進(jìn)行變磁場(chǎng)、變溫輸運(yùn)的測(cè)量。前面板擁有良好的人機(jī)交互界面,可實(shí)時(shí)顯示特性曲線及特征參數(shù)。各項(xiàng)功能利用事件結(jié)構(gòu)中的動(dòng)態(tài)調(diào)用,實(shí)現(xiàn)良好的解耦特性,增強(qiáng)了程序架構(gòu)的穩(wěn)定性。(c)整個(gè)系統(tǒng)屏蔽措施良好,測(cè)量結(jié)果精確�？删_提供皮安級(jí)別的恒定電流以及獲得納伏級(jí)別的電阻電壓和霍爾電壓,能夠精確測(cè)量超低或者超高電阻值樣品的磁電特性。測(cè)量技術(shù)主要采用范德堡法,對(duì)樣品形狀要求低。程控自動(dòng)切換引腳,增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及速度。(d)能研究復(fù)雜環(huán)境下不同光照對(duì)樣品各種輸運(yùn)特性的影響及復(fù)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(duì)樣品的影響。2.結(jié)合太赫茲反射譜與霍爾測(cè)試,深入研究了CCMO樣品的載流子動(dòng)力學(xué)。研究結(jié)果表明：(a)CCMO樣品的太赫茲反射譜在15 THz左右的峰位被識(shí)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(yīng)變得更加突出。(b)對(duì)于x=0.02,0.06,和0.10的樣品,霍爾系數(shù)的溫度依賴趨勢(shì)分別在220,206和194 K下顯示了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。該現(xiàn)象可以歸因于載流子輸運(yùn)機(jī)制從熱激活模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S變程躍遷模式。(c)通過使用Lorentz-Drude模型對(duì)太赫茲譜進(jìn)行擬合計(jì)算,能夠獲得與電學(xué)表征手段得到的基本一致的電學(xué)特性,該方法為在電學(xué)測(cè)量出現(xiàn)困難的時(shí)候提供另一種獲得樣品電學(xué)參數(shù)的路徑。3.通過對(duì)CCMO的光電磁等多項(xiàng)特性進(jìn)行表征和擬合計(jì)算,詳細(xì)分析了其能帶結(jié)構(gòu)、躍遷模型以及振動(dòng)模式等。研究結(jié)果表明：(a)結(jié)合Tauc-Lorentz模型對(duì)CCMO的變溫透射譜進(jìn)行擬合計(jì)算,證明其價(jià)帶頂由Cr 3d特性主導(dǎo)。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(dǎo)致比較高的導(dǎo)電特性。(b)在熒光譜1.8 eV附近發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)烈的激子激發(fā),這是由CCMO天然低維度結(jié)構(gòu)引起的,并且可通過溫度和空穴濃度調(diào)制。(c)對(duì)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(jià)帶的上半部分強(qiáng)烈的相互作用引起的。該相互作用同樣也導(dǎo)致了拉曼振子Eg的異常溫度依賴特性。這個(gè)效應(yīng)可以通過增大Mg組分而削弱。(d)通過結(jié)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(zhuǎn)效應(yīng)修正的躍遷能級(jí)模型。(e)在20 K左右CCMO會(huì)經(jīng)歷連續(xù)兩個(gè)磁相變過程。在相變過程中,其內(nèi)在結(jié)構(gòu)由平面轉(zhuǎn)為螺旋立體結(jié)構(gòu),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(dòng)模式隨溫度下降重新出現(xiàn)紅移模式。4.設(shè)計(jì)了基于CCMO的異質(zhì)結(jié)器件,通過研究其電流-電壓(I-V)特征曲線及磁場(chǎng)下的電學(xué)特性,詳細(xì)討論了其內(nèi)在輸運(yùn)機(jī)制,探討了該類器件室溫應(yīng)用的前景。研究成果如下：(a)成功研制了以p型半導(dǎo)體CCMO為基礎(chǔ)的異質(zhì)結(jié)器件,該器件具有良好的電學(xué)特性。(b)磁場(chǎng)下界面附近的自旋向下載流子和遠(yuǎn)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(dǎo)致了的該異質(zhì)結(jié)樣品的正磁阻效應(yīng)。(c)在低偏壓區(qū)域,該器件的電流是由隧穿效應(yīng)支配的,并且在室溫下存在可控的磁阻效應(yīng),表明其非常適合于構(gòu)造低功耗隧穿電子器件。
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【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN304
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本文編號(hào)：2335753