金属吸附层对纳米金属/Si接触体系电学特性的调控

Metal-semiconductor contact is a fundamental issue in solid state physics, and it has very important applications in semiconductor devices and integrated circuits. The dimension shrinking of devices to the nanometer scale gives rise to the appearance of many new phenomena and effects. The electrical transport properties of M-S nanocontacts are found more complicated than those of macroscale ones. The abnormal electrical properties of nanocontacts have been revealed experimentally and theoretically and little knowledge concerning their mechanism is available till now. In this project, we propose the experimental studies on the electrical transport properties of metal nanoisland/Si contacts performed by utilizing scanning tunneling microscopy in an ultrahigh vacuum system and other techniques. The experimental researches will focus on surface conduction and tunneling effect by means of the introduction of a metal adlayer as well as surface adsorption to modify the surface conductivity and the dimension of nanoislands. The research will lead to a deeper understanding of the correlative mechanisms and provide an important knowledge base for the applications of nanocontacts.

金属/半导体接触是固体物理中重要的基础性问题，是集成电路金属化系统一个必要组成部分，在半导体器件中应用非常广泛。器件线度的不断减小引发大量新问题和新现象出现，纳米尺度金半接触体系的电传输特性与宏观接触体系相比发生了很大改变。目前已有的实验结果存在颇多争议之处，其内在物理机制也很不明确。本项目拟利用超高真空扫描隧道显微术的电学测试装置及其它相关实验手段，从Si表面生长的金属纳米岛等低维体系入手，系统研究纳米金半接触体系的电传输特性，观测其与小尺寸或量子化效应有关的物理现象。通过引入Ag、Pb、Bi等金属吸附层或其表面再构，调控表面电子结构和导电状态以及纳米岛的尺度分布；结合采用气体吸附等处理方法，重点探索表面电导、隧穿效应等因素的作用及其规律；进而通过一定的理论分析研究，期望揭示掌握纳米金属/Si接触体系电传输特性背后的物理机制，获得具有重要学术价值的研究成果。

近十几年来，半导体器件线度的不断减小引发大量新现象和新问题出现。金半接触体系作为集成电路金属化系统一个必要组成部分，在纳米尺度其电传输特性与宏观接触体系的相比发生了很大变化，其内在物理机制也并不明确。本项目利用超高真空扫描隧道显微术及其它相关实验手段，对不同半导体材料表面生长金属纳米岛形成的纳米金半接触体系电传输特性进行深入研究，通过选取合适的金属浸润层调控衬底表面导电状态，重点探索表面电导和隧道效应等对接触结构电学性质的作用，找到抑制衬底表面导电通道的实验方法，分析掌握相关物理机制。研究内容主要涉及：在Si(001)和(111)表面生长两种金属，通过摸索生长次序、覆盖度及退火温度等条件，制备形成了合适的Er纳米岛，掌握了Ag浸润层衬底表面导电状态的控制条件，获得了抑制衬底表面导电通道的实验方法，进而原位探究分析了Er纳米岛/Si接触体系内在的电传输特性，观测到接触结电流密度随着接触面积变化呈现出奇特的振荡现象。在SiC(0001)表面外延石墨烯上Er插层生长，构建不同体系金属纳米岛/半导体接触结构，利用石墨烯调控纳米金半接触体系的形成和电传输特性。实验发现界面区域Er形成的结构形貌与其覆盖度及温度密切相关。实验中还观测到样品表面存在的花型缺陷及其高温退火过程中结构演化现象，发现花型缺陷会在表面移动聚集合并成新型缺陷；DFT理论计算表明缺陷可在石墨烯能带结构中引入能隙，使其态密度在费米能级附近呈现新的van Hove奇异态，这对调控石墨烯器件传输特性提供了新的科学思路。研究了Bi2Te3薄膜厚度对其电输运特性的影响，探索表面电导在拓扑绝缘体电输运特性中的作用。通过低温下实验观测Bi2Te3超薄膜磁场中WAL效应和SdH振荡现象，发现二维表面电导在拓扑绝缘体薄膜电传输特性中起着决定性作用，10nm薄膜其载流子迁移率达6030cm2/Vs；输运实验测得HLN方程系数为~ 0.5，证明传输电导主要来自薄膜下表面贡献。这些研究结果对今后半导体器件的发展应用具有重要的指导意义。