新式半导体材料之制备特性研究

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1、新式半导体材料之制备特性研究第一章绪论1.1.研究背景半导体材料及其应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。氮化物新型半导体材料，如氮化铟（InN）、氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）以及它们的合金，由于其在微电子和光电子器件方面的应用前景，受到人们的广泛关注，是当今半导体材料和器件研究领域的热点[1-3]。理论研究表明，InN材料在III族氮化物半导体材料中具有最高的饱和电子漂移速度和电子渡越速度以及最小的有效电子质量[4-7]，其低场迁移率可达3200cm2/(V•s)，室温下最大迁移率为14000cm2/(V•s)[5]，是理想的

2、高速、高频晶体管材料[8]。InN还具有优越的稳态和瞬态电子输运特性，预计InN基场效应管（TEF）的截止频率可高于400GHz[6]。由于高质量样品的匮乏，InN材料和器件的研究相对于GaN、AlN等材料严重滞后。InN材料制备的难点在于InN本身的热分解温度低（600℃），高温生长会导致薄膜中严重的氮损失，这就要求将生长温度控制在较低的条件下；而作为氮源的NH3则需在高温（1000℃）环境下才能分解，两者形成一对矛盾[9]。同时，缺乏晶格常数和热膨胀系数相匹配的衬底材料也使得高质量InN材料的制备特别困难，严重阻碍了研究的发展[10,11]。近年来随着生长工艺技术的提高，I

3、nN薄膜材料已经能够采用磁控溅射、金属有机气相外延或化学气相沉积（MOVPE或MOCVD）和分子束外延（MBE）等方法在蓝宝石（-Al2O3）、GaAS、GaP、Si和玻璃等衬底上成功生长[12-21]。这将InN材料的研究向前推进了一大步，并在国际上掀起了一阵研究InN材料的热潮。目前，InN的性能研究已经得到了较为广泛的开展，尤其是在光学方面，利用拉曼和红外光谱分析其晶格振动特性的工作相当深入和全面[22]。但是InN的光学带隙的大小依然在争论之中，没有完全确定。早期用溅射法得到的InN薄膜其带隙都在2.0eV左右[23]，而近期的研究结果显示用分子束外延和金属有机物气相外

4、延方法生长高质量InN薄膜带隙是0.6-0.7eV[24-26]。随着材料质量的改善，InN电学特性方面的工作也逐步展开。InN的电学特性直接决定其器件应用，因此相关研究显得极为重要。现已有相当多的文献报道了InN薄膜电学性能，但大多是介绍性的测量结果，如表面电子积累层的存在、载流子浓度和电导率对温度的依赖关系等[27-30]。而InN薄膜材料内部的输运特性，尤其是材料中杂质和缺陷等无序因素对电子传输机制的影响，则鲜有报导。本文中，我们将详细讨论无序化效应对InN半导体薄膜中电子输运过程的影响。硅作为传统半导体材料，在过去的几十年里，一直是微电子学发展的基石。近十多年来，硅系半

5、导体材料中出现了一个新品种氢化纳米硅薄膜材料（nc-Si:H）[31]，它是纳米尺寸的硅晶粒镶嵌在氢化非晶硅（a-Si:H）的无序网络中构成的新型半导体量子点结构。自1968年Veprek和Mareck[32]首次报道了nc-Si:H的制备以来，氢化纳米硅薄膜便因在单电子晶体管[33]、薄膜晶体管[34]、隧穿二极管[35]、发光二极管[36]、光存储器[37]以及薄膜太阳电池[38]等器件方面的应用而引起了人们的广泛兴趣和关注。nc-Si:H薄膜可以通过多种生长方法获得，如激光烧蚀、磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和自组织生长法等，其中PECVD作为工业领域中

6、广泛应用的技术，是制备nc-Si:H最常用的方法。研究表明，氢化作用能够在无序非晶硅结构中实现无序-有序转变，并形成高密度的纳米硅晶粒。硅晶粒的引入不仅改善了薄膜的有序结构，而且提高了电子的输运性能，与非晶硅薄膜相比，本征nc-Si:H膜室温电导率可达10-3~10-1-1•cm-1。过去几年中，本研究组在硅量子点材料电输运性能的研究方面开展了深入的工作，报导了一系列nc-Si:H薄膜中新颖的物理现象，如结构有序导致的高电子迁移率[39]，掺杂浓度对隧穿二极管特性的调控[35]，以及周期性负微分电导现象[40]等。然而针对硅量子点系统载流子输运方式更为细致的研究还很匮

7、乏，尤其是对于电子自旋弛豫机制的探讨很少。本文我们将利用变温变磁场霍尔效应测试法分析、提取自旋弛豫相关信息。本文还涉及到当前最热为热门的石墨烯材料。石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的薄膜，仅有一个原子厚度（0.335nm），是目前世界上最薄的材料。单层石墨烯是零带隙半导体，其中电子的运动速度达到了光速的三百分之一，远远超过了一般导体中电子的运动速度[41,42]。这使得石墨烯具有超高的导电性和导热性。近些年随着微电子工业的迅速发展，硅基集成电路芯片技术正在逼近摩尔定律的