Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)的制備及I-V特性研究*

王善蘭，廖楊芳,2，吳宏仙，梁　楓，楊云良，肖清泉，謝　泉

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院 新型光電子材料與技術(shù)研究所，貴陽 550025；2. 貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴陽 550001)

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Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)的制備及I-V特性研究*

王善蘭1，廖楊芳1,2，吳宏仙1，梁楓1，楊云良1，肖清泉1，謝泉1

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院 新型光電子材料與技術(shù)研究所，貴陽 550025；2. 貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴陽 550001)

采用磁控濺射和熱處理系統(tǒng)制備Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)。首先在n-Si(111)襯底上沉積Mg膜，經(jīng)熱處理后得到Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)。利用XRD、SEM、表面輪廓儀、伏安特性測試儀和霍爾效應(yīng)測試儀，研究了Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、Mg2Si薄膜厚度、I-V特性及導(dǎo)電類型。結(jié)果表明，成功制備了Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)，并得到其平均載流子濃度(-9.30×1012cm-3)、導(dǎo)通電壓(0.31 V)、導(dǎo)通電流(0.6 mA)、工作電壓(0.53 V)等，測得該異質(zhì)結(jié)為n-n型。

磁控濺射；Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)；I-V特性

0　引　言

半導(dǎo)體材料是一類具有半導(dǎo)體性能，可用于制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。硅材料及硅化物是當(dāng)今產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，是我國電子行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。自主研發(fā)相關(guān)新材料、新器件對增強(qiáng)國際競爭力、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和保障國家安全有著重要的作用。而Mg2Si材料便是為數(shù)不多的硅化物材料，因?yàn)槠浣M成材料無毒無害，地表含量豐富，是1種新型環(huán)境友好半導(dǎo)體材料，已經(jīng)引起了人們的關(guān)注[2]。

新型環(huán)境友好半導(dǎo)體Mg2Si材料具有許多優(yōu)良性能[2-3]，如Mg2Si薄膜的特征波長為1.2～1.8 μm，是1種理想的紅外發(fā)光材料，熱電性能優(yōu)良(ZT>1)，是1種有發(fā)展?jié)摿Φ臒犭姴牧?，能在Si基上外延生長，有良好的歐姆接觸，與傳統(tǒng)的Si工藝兼容，其結(jié)構(gòu)和電性能非常穩(wěn)定等，在光電子器件、量子器件、能量器件等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景[4-7]。然而因?yàn)榻饘費(fèi)g有很高的蒸汽壓，即使在200℃時(shí)[8]，其凝結(jié)系數(shù)也非常小[9]，而且Mg2Si在高溫條件下容易分解與氧化。因此制備Mg2Si薄膜較困難。本文實(shí)驗(yàn)組已克服困難，成功制備了單一相的Mg2Si薄膜[10-13]。

當(dāng)半導(dǎo)體材料發(fā)展到一定程度，便是應(yīng)用其獨(dú)特的性質(zhì)制備出相應(yīng)的半導(dǎo)體器件，而半導(dǎo)體器件的核心是p-n結(jié)，p-n結(jié)是組成集成電路的主要細(xì)胞，是制備出性能優(yōu)良器件的關(guān)鍵，而p-n結(jié)又分為同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)又分為同型異質(zhì)結(jié)(n-n，p-p)和反型異質(zhì)結(jié)(n-p，p-n)[12]。在1957年，克羅默便已經(jīng)指出由導(dǎo)電類型相反的兩種材料制成的異質(zhì)結(jié)比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率。目前對Mg2Si的研究尚處于基礎(chǔ)性質(zhì)研究階段，其相應(yīng)的器件制備報(bào)道較少，而本文則主要采用工業(yè)上常用生產(chǎn)設(shè)備磁控濺射和熱處理方法制備了Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)，并對其相應(yīng)的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)的制備

采用中科院沈陽科學(xué)儀器研究中心制備的JGP560CVⅢ型帶空氣鎖的超高真空多靶磁控濺射鍍膜系統(tǒng)和SGL80型高真空退火爐。襯底是n-Si(111)，電阻率為0.1～0.01 Ω·cm，純度為99.999%，Mg靶純度為99.99%。在襯底放入濺射系統(tǒng)之前對其在丙酮中進(jìn)行了超聲清洗15 min，然后用無水乙醇、去離子水分別清洗，再用稀釋的HF(n(HF)∶n(H2O)=1∶50)浸泡約1 min后再用去離子水超聲清洗。烘干后，放入磁控濺射系統(tǒng)進(jìn)樣室抽真空，當(dāng)背底真空度為10-4Pa時(shí)，通入氬氣，在壓強(qiáng)為7 Pa、流量為20 mL/min、射頻功率為100 W條件下進(jìn)行反濺，濺射10 min后，送入濺射系統(tǒng)的濺射室。當(dāng)濺射室的背底氣壓優(yōu)于3.0×10-5Pa時(shí)，通入氬氣，調(diào)節(jié)氬氣流量計(jì)，保持流量為30 mL/min，再調(diào)節(jié)抽氣閥門，使濺射室的氣壓達(dá)到3.0 Pa，濺射功率100 W。打開射頻濺射系統(tǒng)，開始濺射Mg 25 min。濺射后的Mg/Si結(jié)構(gòu)在400℃退火4 h形成Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)[14]。

1.2樣品表征

采用XRD(Bruker AXS，D8 advance)和SEM(Hitachi，S-4800)分析了Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌，Mg膜厚度以及經(jīng)過退火后形成的Mg2Si薄膜的厚度通過臺(tái)階儀和斷面的SEM測量，采用安捷倫的半導(dǎo)體器件分析儀，型號(hào)為B1500A測得其I-V特性，通過霍爾效應(yīng)測得其電學(xué)及其輸運(yùn)性質(zhì)。

2　結(jié)果與討論

2.1Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)的XRD表征

圖1為樣品經(jīng)400℃退火4 h后的XRD圖。3個(gè)最強(qiáng)峰分別位于2θ≈40.121°、24.241°和58.028°，與國際粉末晶體衍射標(biāo)準(zhǔn)卡片對比，可以確定所制備的樣品為單一相的Mg2Si薄膜。異質(zhì)結(jié)為Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)。

2.2Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)的SEM表征及表面輪廓表征

圖2為樣品的掃描電鏡(SEM)圖像。從圖2中可以看出，沉積的Mg/Si結(jié)構(gòu)，經(jīng)過400℃退火4 h后的Mg2Si結(jié)晶已完成，形成了致密連續(xù)的薄膜。并通過斷面測得薄膜厚度為1.92 μm。由表面輪廓儀測試結(jié)果可知退火前Mg膜厚度為653.6 nm，由退火前Mg膜厚度與退火后生成的Mg2Si膜厚度比約為1∶3可知，最后生成的薄膜厚度約為1 960.8 nm即1.96 μm[15]。與斷面測試結(jié)果吻合較好。從圖中可以看出，在界面處有一個(gè)向上的突變峰，這個(gè)峰的出現(xiàn)是由于制作臺(tái)階時(shí)，臺(tái)階邊緣效應(yīng)而引起的。

圖1　退火后樣品的XRD圖譜

2.3Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)I-V特性

對Mg2Si/n-Si異質(zhì)結(jié)進(jìn)行霍爾效應(yīng)測試，研究結(jié)果表明，Mg2Si薄膜的導(dǎo)電類型n型。載流子濃度為-9.30×1012cm-3，霍爾遷移率0.419 cm2/(V·s)。我們利用安捷倫公司的半導(dǎo)體分析儀研究Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)的I-V特性，獲得器件的開啟電壓、直流電阻、交流電阻、擊穿電壓、反向電流等器件電學(xué)參數(shù)，為其應(yīng)用于發(fā)光器件奠定基礎(chǔ)。圖3為同一個(gè)Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)樣品3個(gè)不同測試點(diǎn)測試的I-V特性曲線圖，測試電壓范圍為-10～3.5 V。

圖3　Mg2Si/n-Si異質(zhì)結(jié)樣品的I-V曲線

圖4為Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)樣品在0～1 V的I-V特性曲線圖。圖5為通過對I-V曲線進(jìn)行分析，得出Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)樣品動(dòng)態(tài)電阻隨電壓變化曲線圖。

圖4　Mg2Si/n-Si異質(zhì)結(jié)0-1 V的I-V曲線

Fig 4 I-V curve of Mg2Si/n-Si heterojunction at 0-1 V

圖5　Mg2Si/n-Si異質(zhì)結(jié)樣品電阻隨電壓變化曲線

Fig 5 Resistance-voltage curve of Mg2Si/n-Si heterojunction

結(jié)合圖3，4可以得出：(1)當(dāng)外加電壓<0.1 V時(shí)，正向電流很小，在微安量級(jí)；當(dāng)外加電壓在0.1～0.3 V時(shí)，正向電流值從幾十微安逐漸增加到幾百微安；當(dāng)外加電壓超過0.3 V時(shí)，正向電流突然從微安量級(jí)增加到毫安量級(jí)，并逐漸增大；當(dāng)電壓超過1 V時(shí)，電流隨電壓成一次函數(shù)增加；(2)當(dāng)外加反向電壓時(shí)，電流隨著電壓逐漸增加，其都在微安量級(jí)；當(dāng)反向測試電壓接近最大電壓10 V時(shí)，電流有增大的趨勢；(3)圖4中的直線與二極管靜態(tài)工作點(diǎn)相交；(4)從圖5可以看出，當(dāng)電壓>1 V時(shí)，電阻隨電壓幾乎沒有變化，說明電流和電壓近似為線性關(guān)系，Mg2Si/n-Si異質(zhì)結(jié)等同于一個(gè)線性電阻，工作電壓區(qū)間較大，工作穩(wěn)定性良好，可以當(dāng)作電阻使用；(5)圖3中，當(dāng)加正向電壓>1 V時(shí)，其中有一條曲線出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，經(jīng)對樣品電極的分析，可能是測試點(diǎn)與測試探針之間接觸不是很好，或是該處的Al與薄膜層的接觸不好引起電流的不穩(wěn)定。

由圖可知開啟電壓為0.3 V，導(dǎo)通電流為0.6 mA，過導(dǎo)通電壓點(diǎn)做I-V曲線的切線(如圖4所示)，與曲線的交點(diǎn)近似認(rèn)為Mg2Si/n-Si異質(zhì)結(jié)的工作電壓VD、工作電流ID，且當(dāng)電壓大于該點(diǎn)電壓VD后，電壓與電流成線性關(guān)系。交流電阻近似為

通過以上分析，得出Mg2Si/n-Si異質(zhì)結(jié)的I-V特性參數(shù)表(如表1所示)。

表1　Mg2Si/n-Si異質(zhì)結(jié)的I-V特性參數(shù)

結(jié)合表1進(jìn)行分析，Mg2Si/n-Si異質(zhì)結(jié)具有良好的耐壓性，且正向工作點(diǎn)穩(wěn)定，在電壓>1 V是可以作為線性電阻使用的。

3　結(jié)　論

采用磁控濺射的方法，在n型Si(111)襯底上濺射沉積了Mg膜，經(jīng)過真空退火后制備了Mg2Si/n-Si異質(zhì)結(jié)，通過XRD、SEM分析制得的單一相Mg2Si薄膜，且薄膜連續(xù)均勻，電學(xué)與輸運(yùn)性質(zhì)表明其為n型導(dǎo)電，載流子濃度為-9.30×1012cm-3,霍爾遷移率0.419 cm2/(V·s)，其I-V特性良好，測得其導(dǎo)通電壓為0.31 V，工作電壓為0.53 V。

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Fabrication and I-V characterization of Mg2Si/Si heterojunction

WANG Shanlan1,LIAO Yangfang1,2,WU Hongxian1,LIANG Feng1, YANG Yunliang1,XIAO Qingquan1,XIE Quan1

(1.College of Big Data and Information Engineering,Institute of Advanced Optoelectronic Materials and Technology,Guizhou University,Guiyang 550025,China; 2.School of Physics and Electronic Science,Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China)

Hetero structures of Mg2Si/Si were prepared by DC-magnetron sputtering and vacuum annealing.Firstly,Mg film was deposited on n-type Si(111)substrate at room temperature,subsequently annealed in a vacuum furnace to form Mg2Si/Si heterostructure.The crystal structure,surface topography,I-V characteristics and conduction type of the Mg2Si/Si heterostructure were characterized with X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscope(SEM),surface profile gauge,Volt-ampere characteristics of Integrated Tester and Hall Effect Measurement System(HEMS).The results showed that Mg2Si/Si heterojunction with n-type type conducting,the carrier concentration was -9.30×1012cm-3,threshold voltage was 0.31 V,threshold current was 0.6 mA and working voltage was 0.53 V.

DC-magnetron sputtering;Mg2Si/Si heterojunction; I-V characterization

1001-9731(2016)09-09091-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61264004)；貴州省國際科技合作資助項(xiàng)目(黔科合外G字[2012]7004,[2013]7003)；貴州省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(黔科合J字[2014]2052)；貴州省科技廳、貴州大學(xué)聯(lián)合資金資助項(xiàng)目(黔科合LH字[2014]7610)

2015-08-09

2015-12-08 通訊作者：謝泉，E-mail:qxie@gzu.edu.cn

王善蘭(1991-)，女，四川大竹人，在讀碩士，師承謝泉教授，從事電子材料與器件研究。

TB34;TB303

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.09.017