硅基納米結(jié)構(gòu)及功能氧化物薄膜的分子束外延生長與特性研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，人們?cè)絹碓矫媾R兩方面的挑戰(zhàn)，一方面，隨著集成度的日益提高，器件的尺寸不斷的減小，其已經(jīng)越來越接近傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的物理極限，這時(shí)器件中的載流子的行為越來越多地顯示了波動(dòng)性，這對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件是非常不利的，這種波動(dòng)性會(huì)在柵極形成隧穿電流從而急劇增大漏電流，因此人們發(fā)展了高κ柵介質(zhì)材料來取代原來的SiO2柵介質(zhì)，從另一個(gè)角度出發(fā)，人們開始著手研制利用粒子的波動(dòng)性來達(dá)到計(jì)算目的的量子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的組成的基本單元是量

2、子比特，量子比特可以是磁場(chǎng)中的一個(gè)電子，或者是處于兩個(gè)能級(jí)之間的粒子等等。這其中，量子點(diǎn)作為一種人工原子被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)量子比特的方式，因而引起人們的關(guān)注。除此之外，量子點(diǎn)在其他領(lǐng)域，如光電子等方面也有廣泛的應(yīng)用，另一方面，人們對(duì)于存儲(chǔ)的要求越來越廣泛。非易失性存儲(chǔ)器就是一個(gè)重要的方面.非易失性存儲(chǔ)器在切斷外部電源之后，其中保存的信息仍然存在，這就可以大大減少能源消耗，而且即使在意外斷電的情況下也不會(huì)丟失重要信息，因此成為目前研究的一個(gè)

3、熱點(diǎn)。本論文從這兩方面出發(fā)研究了量子點(diǎn)/量子環(huán)相關(guān)的生長問題和功能氧化物薄膜的生長及其物理性質(zhì)。
　　鍺硅量子點(diǎn)上在300℃覆蓋了50nm的硅層經(jīng)過在640℃原位退火，在表面出現(xiàn)了深度大約為8nm邊界沿著(110)的方形納米坑，通過截面TEM觀察到每個(gè)納米坑的正下方都有一個(gè)量子點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)，在540℃原位退火實(shí)驗(yàn)揭示了硅原子在納米坑形成過程中的細(xì)致的遷移過程，最后形成的納米坑的輪廓是應(yīng)變能和表面能雙重作用下形成的，納米坑在640℃下

4、是穩(wěn)定的，在這些納米坑的表面生長鍺會(huì)在納米坑周圍形成鍺硅量子點(diǎn)分子。
　　通過在鍺硅量子點(diǎn)上覆蓋硅層得到的量子環(huán)的尺寸均勻性與生長溫度和量子點(diǎn)的密度有很大關(guān)聯(lián)，較高的生長溫度對(duì)量子點(diǎn)的尺寸均勻性有利，然而這會(huì)導(dǎo)致鍺含量的降低以及鍺的非對(duì)稱分布，這會(huì)引起轉(zhuǎn)換后的量子環(huán)也是非對(duì)稱的，有的甚至?xí)屏?。低溫生長會(huì)導(dǎo)致量子點(diǎn)以及與之對(duì)應(yīng)的量子環(huán)的尺寸均勻性下降，高的量子點(diǎn)面密度會(huì)導(dǎo)致在覆蓋硅層時(shí)鄰近的量子點(diǎn)在膨脹的同時(shí)互相連接起來形成一條鏈

5、而不是量子環(huán)，通過優(yōu)化在生長溫度為640℃時(shí)得到了尺寸均勻的量子環(huán)，其尺寸偏差為4.6％，密度為7.8×108cm-2。
　　我們?cè)谟行蚰０迳仙L了量子環(huán)，結(jié)合納米球光刻技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)可以在硅(001)襯底上制備出不同周期和單點(diǎn)尺寸可調(diào)的有序模板，實(shí)驗(yàn)中使用的納米球的直徑是430nm，因而得到的有序鍺硅量子環(huán)的周期也是430nm，得到的量子環(huán)的尺寸與形狀與被覆蓋的鍺硅量子點(diǎn)以及覆蓋過程有密切聯(lián)系，統(tǒng)計(jì)分析表明覆蓋溫度越高和

6、退火時(shí)間越長，橫向尺寸的均勻性越高。
　　我們?cè)赟i(100)襯底上生長了β-MnO2薄膜并對(duì)其微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過摻Er可以極大地提高β-MnO2薄膜的熱穩(wěn)定性，尤其在Er含量為6％時(shí)得到了在生長方向上取向接近的β-MnO2晶粒組成的薄膜。
　　我們接著研究了β-MnO2薄膜的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)薄膜在退火前后具有不同的記憶效應(yīng)，即未退火時(shí)的記憶效應(yīng)是由于界面處的電荷陷阱造成的；退過火的樣品的記憶效應(yīng)是由于β

7、-MnO2的鐵電性質(zhì)造成的，未退火的樣品在低溫下具有鐵磁性，這是由Er子晶格的磁矩形成的，經(jīng)過退火的樣品，40K附近發(fā)生鐵磁轉(zhuǎn)變.這一鐵磁性可能是由于Er3+離子與Mn4+離子之間的交換相互作用引起的，在50K附近，由于在晶粒中形成了磁渦旋，磁滯回線呈現(xiàn)小的矯頑力和剩余磁矩，通過低溫下測(cè)量不同磁場(chǎng)配置條件下的磁滯回線，發(fā)現(xiàn)磁化方向在薄膜生長方向是難磁化軸，在樣品平面內(nèi)存在易磁化軸，由此可知β-MnO2的[100]和[010]方向是難磁化