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低维半导体纳米结构带隙漂移以及介电性能调控的键驰豫理论研究

禹旺兵  
【摘要】:随着微/纳电子技术的发展,半导体集成电路的集成度越来越高,单块芯片的功能越来越强大,封装体积也越来越小,这对芯片的性能和可靠性提出了更高的要求。当大规模集成电路元器件的特征尺寸小于0.1 μm时,这些器件的功能和性能强烈依赖于内电场的重构,很多因素都与器件中介质层的介电性能有关,如:器件的伏安特性、激子结合能、载流子能量和光学性能等。同时,元器件的高密度使得导线之间的间距大大变小,这样不但增大了电路的电阻,使得能耗增加,而且产生了分布电容,造成信号延迟以及线间串扰等弊端,而这些影响同样取决于基片的介电性能。因此,在纳米尺度范围内对材料的电子学性质和介电性能进行深层次研究对于促进微/纳电子技术的发展具有非常重要的意义。半导体纳米结构的带隙随着尺寸的减少而展宽,其介电常数随着尺寸的减少而减少,这些奇异的物理现象已有相应的理论解释,如:量子限域效应和表面效应等。但是,对于一些具有特殊形貌特征或者几何结构参数,如纳米锥、纳米多孔结构、核壳纳米线等系统,由于其形貌以及几何参数的改变,将导致纳米体系处于自平衡态,而这种自平衡态将影响体系的状态,如引起带隙漂移和介电性能的变化等等。与常规纳米结构如纳米晶和纳米线不同,这些结构由于其自身独具的几何特征,使其具备特有的物理性能。而目前在理论上还不能对这些物理现象在本质上进行透彻的理解。因此,迫切需要建立既能克服目前理论模型的缺陷又能从本质上分析这些新奇物理现象并预测其变化趋势的理论模型。本论文基于键驰豫理论,从原子层次研究了低维半导体纳米结构的尺寸、形貌与几何参数对体系电子学性质以及介电性能的影响。建立了针对具有正曲率结构特征的锥形纳米线和具有负曲率纳米结构特征的纳米多孔结构的表面与界面普适性的理论模型,给出了其表/界面以及弹性作用能的解析表达式,并由此推导出纳米结构中与表/界面相关的尺寸、形貌和几何参数效应。本论文所提出的纳米结构表/界面理论模型不仅增进了人们对于纳米尺度下的材料的尺度、形貌和几何参数效应的科学理解,而且预言了纳米材料与纳米结构尺度、形貌和几何参数效应所诱导的介电性能的变化,对于发展新型微/纳电子器件具有重要的指导意义。其具体工作和主要结果如下:1.研究了表面原子键驰豫对半导体纳米结构能带结构的影响。理论研究表明:随着尺寸减少,比表面积增加,表面原子配位数失配增大,由此导致表面原子键弛豫,这种表面原子失配所导致的原子键弛豫使得体系处于自平衡状态,体系能量最低,从而使得整个体系具有不同于块体的物理性质。此外,通过Kramers-Kronig关系,研究了半导体材料的能带结构对其介电性能的影响,从能带的角度阐述了纳米材料的介电调控原理。2.探讨了锥形ZnO纳米线和圆柱形ZnO纳米线的带隙漂移和介电抑制的物理机制。发现锥形和圆柱形纳米线的自平衡应变都将改变体系的能带结构,并进一步影响其介电性能。与其他理论模型不同的是,本论文模型结果表明:与圆柱形纳米线相比,锥形纳米线的电子学性质以及介电性能具有其特有的性质,这种特性不但具有尺寸效应,同时还具有表面形变所引起的表面梯度效应。对于锥形纳米线,当尺寸比较小,接近波尔半径的时候,尺寸效应决定其介电性能,而当尺寸比较大,远大于波尔半径时,其介电性能由表面梯度效应起决定作用。我们的理论预测与相关实验测量结果以及其他计算结果相吻合,这为半导体材料的尺寸与形状设计提供了理论依据。3.提出了一个纳米多孔硅几何参数(孔径、孔间距、孔隙度)依赖的电子学性质以及介电调控的理论模型。计算结果表明:不但具有由表面原子配位缺陷引起的表面效应,而且孔与孔之间的弹性相互作用也将对体系的物理性能产生影响,这两种效应同时作用使得体系处于自平衡态,这种自平衡态将改变材料的电子结构,引起带隙漂移以及由此导致的介电调制。其介电性能不但取决于孔隙度,同时还受到孔径、孔间距等几何参数的影响。该模型不但能解释表面原子配位缺陷以及孔与孔之间弹性作用引起的自平衡应变对材料性能的影响,而且为具有可调介电性能的纳米多孔结构和纳米器件的设计提供了一条有效的方法。


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