砷化铟纳米线基电子器件的制备及输运性质研究

发布时间：2020-08-12 10:58

【摘要】：半导体纳米线因其载流子在两个维度上运动受限,从而表现出优异的准一维载流子输运特性,而且凭借着自下而上的可控制备、以及与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)工艺有较好的兼容性等特点,半导体纳米线器件有望成为未来纳电子学、纳光电子学中最有希望的器件之一。在众多的半导体纳米线中,InAs纳米线以其窄带隙、极高的电子迁移率、极小的电子有效质量、大的朗德g因子以及强的自旋轨道耦合等特点,成为研制高性能场效应晶体管等新型电子器件的理想材料。本论文围绕单根InAs纳米线基电子器件的制备及其输运性质进行研究。首先,采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,简称MBE)技术在Si衬底上自催化生长了 InAs纳米线,继而,以InAs纳米线为导电通道材料,制备并研究了三类电子器件:InAs纳米线自旋注入器件、InAs纳米线阻变器件以及InAs纳米线顶栅自对准场效应晶体管,论文的主要创新性成果如下:(1)在Si(111)衬底上制备了自组织InAs纳米线,证明InAs纳米线以闪锌矿和纤锌矿的混合相形式存在,并且伴随着大量层错。在两端InAs纳米线自旋注入器件中,通过局域测试,获得了较大的自旋信号,同时证明InAs纳米线的自旋扩散长度为1.9 μm。分析发现,为了在两端半导体自旋注入器件中获得巨大的自旋信号,不但要求半导体材料具有较长的自旋扩散长度,而且器件的接触电阻要足够大。在四端InAs纳米线自旋注入器件中,通过非局域测试,研究了势垒层厚度变化对微分电阻以及自旋注入的影响,发现自旋信号对器件势垒层厚度非常敏感,当Al2O3势垒层厚度增加到3 nm时,测到4.2%的磁电阻,使用一维自旋扩散方程,得到InAs纳米线的自旋扩散长度为1.84 μm,与局域测试法得到的自旋扩散长度基本吻合。在电化学鼓泡法转移单晶石墨烯的基础上,尝试制备了以单晶石墨烯作为势垒层介质的新型InAs纳米线自旋注入器件,与使用MgO、Al2O3作为势垒层材料的器件相比,虽然新型器件的磁电阻值较小,约为12.8%,但器件自旋信号更大,计算得到InAs纳米线的自旋扩散长度达到2.18 μm。(2)在以Pt为电极的InAs纳米线器件中观测到明显的阻变行为,耐力循环测试及时间稳定性测试均表明器件稳定性良好。器件低阻态和高阻态阻值都分布在一个较窄的区间,Vset处于mV量级且分布范围窄,器件因此在能耗方面具有优势。通过对器件正电压区间I-V曲线拟合,发现高阻态符合肖特基导电机制,而低阻态先服从空间电荷限制电流(Space Charge Limited Current,简称SCLC)导电机制,之后转变为欧姆导电机制,据此我们提出器件的阻变机制:高阻态的出现是由于InAs纳米线表面存在氧化层,从而InAs纳米线与Pt的接触面具有较大的肖特基势垒,器件处于高阻态;当电压增大到Vset时,氧化层中的氧空位迁移至Pt接触面,极大降低了势垒,器件进入低阻态,此时导电机制以氧化层的SCLC为主导,随着电压的降低,器件电流进一步减小,由于氧化层中的热激发电子足够满足欧姆导电的需求,此时欧姆导电起主导作用。(3)制备了单根InAs纳米线顶栅自对准器件,研究了器件的直流特性。通过对比背栅器件、普通顶栅器件以及顶栅自对准器件,发现通过T形栅自对准设计,尤其是在工艺中使用磁控溅射使得源栅间距进一步减小,器件特性得到极大提升,其中归一化输出电流高达70 μA/μm,InAs纳米线场效应迁移率达到1000 cm2/Vs,峰值跨导达到了 4.3 μS,开关比Ion/Ioff提高到了 104量级,亚阈值摆幅(Subthreshold Swing,简称SS)降低到了 660 mV/dec。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN36;TB383.1
【图文】：

分布图,砷化铟,关键词,年份

学器件、纳米生物传感器件等重要领域的关键材料打好基础，现在全球科研逡逑人员正在全力攀登纳米科技高峰，已经取得了不少令人瞩目的成绩，纳米材逡逑料已经成为了极具价值、对社会生活、经济发展有重要影响的新材料。图２－１逡逑是近二十年来有关纳米线研究论文数量的变化，可以看到进入２１世纪后，作逡逑为纳米材料之一，纳米线研究得到了迅猛的发展。逡逑７０００逡逑６０００逡逑Ｋｅｙ邋Ｗｏｒｄｓ：邋Ｎａｎｏｗｉｒｅ逡逑５０００逦｜逡逑Ｉ４０００逦．ｉｌｌ逡逑ＬＪｉ逡逑１９９６逦２０００逦２００４逦２００８逦２０１２逦２０１６逡逑Ｙｅａｒ逡逑图２－１邋Ｗｅｂ邋ｏｆ邋ｓｃｉｅｎｃｅ上搜索关键词Ｎａｎｏｗｉｒｅ获得的文章数置年份分布图逡逑２．２砷化铟（ＩｎＡｓ）材料逡逑ＩＩＩ－Ｖ族半导体以其优异的性能使得它们被广泛研究，其中ＩｎＡｓ材料被逡逑广泛应用于光电探测器中，其基本的物理性质己经得到了非常系统的研究。逡逑ＩｎＡｓ材料在自然界中以纤锌矿（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ，简称ＷＺ）和闪锌矿（Ｚｉｎｃ－Ｂｌｅｎｄｅ，简逡逑称ＺＢ）结构存在。常温下，ＩｎＡｓ以ＺＢ结构为主，如图２－２（ａ）所示，具有四面逡逑体结构，其空间群为Ｔｄ２－Ｆ４３ｍ，每个Ａｓ（Ｉｎ）原子处于四个最近邻Ｉｎ（Ａｓ）原子逡逑四面体中心

能带结构,电子迁移率,德拜温度,间隙

Ｉｎ－Ａｓ原子键长为２．６２３邋Ａ，本征电阻率０．１６邋Ｑｃｍ，热导率为０．２７邋Ｗｃｍ＾ＣＴ１，逡逑德拜温度２８０邋Ｋ，热扩散系数０．１９邋ｃｍ２ｓ＿１［３］。ＷＺ结构ＩｎＡｓ是具有六角密排结逡逑构，如图２－２（ｂ）所示。通常其晶格常数为ａ邋＝邋４．２８４邋Ａ，ｃ邋＝邋６．９９５邋Ａ，ｃ／ａ邋＝邋１．６３ｍ。逦．逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑乻ｉｆ逡逑图２－２邋ＩｎＡｓ材料的晶体结构逡逑（ａ）闪锌矿（ｂ）纤锌矿逡逑ＩｎＡｓ的能带结构如图２－３所示［４］，从图中可以看出在点的位置其能带间逡逑的间隙为直接间隙，其禁带宽度为０．３５邋ｅＶ。由于杂质元素的影响，未掺杂的逡逑ＩｎＡｓ通常表现为ｎ型半导体［５］，体材料ＩｎＡｓ具有很高的电子迁移率，室温下逡逑达到士邋＝邋３ｘｌ０４ｃｍ２／Ｖｓ，７７Ｋ的时候为３ｘｌ0４ｃｍ２／Ｖｓ，比ＧａＡｓ电子迁移率逡逑高出数倍［６］。逡逑Ｅｎｅｒｇｙ邋３００邋Ｋ邋Ｅｆｆ＝０邋３５ｅＶ逡逑￡ｔ＝１邋０８邋ｅＶ逡逑Ｇａｌｌｅｙ逦Ｅｘ＝１．３７ｅＶ逡逑ｒ－ｖａｌｌｅｙ逦￡？＝０．４１邋ｅＶ逡逑＼逦＾－－ｖａｌｌｅｙ逡逑￡邋Ｅｌ逡逑９逡逑＜１00＞邋，邋０邋，，邋＜１１１＞逡逑￣Ｗａｖｅ邋ｖｅｃｔｏｒ￣逡逑￡逦（邋＼逦

晶体结构,电子迁移率,德拜温度,间隙

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