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石墨烯与宽禁带半导体材料的接触特性研究
钟海舰
Subtype博士
Thesis Advisor徐科 ; 杨辉
2012-05
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Degree Discipline微电子学与固体电子学
Keyword石墨烯 宽禁带半导体 肖特基势垒 费米能级 接触 极性 堆垛
Other Abstract     石墨烯因其独特的性质,近年来迅速成为材料科学、凝聚态物理等众多领域的研究热点。在石墨烯和宽禁带半导体构成的电子和光电子器件中,石墨烯与半导体所形成的接触是器件的核心结构。对石墨烯与半导体接触特性从理论和实验进行深入研究,将有助于推动石墨烯进一步的应用发展。
在本论文中,首先在理论上,我们针对石墨烯特殊的能带结构建立了相应的接触理论模型,利用该模型对理想石墨烯与半导体接触性质进行了深入的讨论。
      在实验上,我们以石墨烯分别与 n 型 GaN、p 型 GaN、n 型 AlN 和 n 型 SiC 等宽禁带半导体的接触为主要研究对象,以自主研发的扫描近场多功能探针系统为主要研究手段,结合已建立的理论模型,系统研究了机械解理石墨烯和化学气相沉积(Chemical vapour deposition, CVD)生长石墨烯在与宽禁带半导体接触后的费米能级自适应移动特性。主要工作及创新点如下:
      1. 理论模型的建立:
      我们以传统金属-半导体肖特基接触理论为基础,针对石墨烯能带结构具有类光子的线性色散关系,狄拉克点处态密度为零,费米能级可随载流子浓度变化的特点,建立了石墨烯分别与理想条件下的半导体和具有表面态的非理想半导体接触的理论计算模型。利用该模型,我们可从理论上对石墨烯与宽禁带半导体的接触势垒以及石墨烯费米能级的移动进行评价。该模型对于理解石墨烯与各种半导体的接触特性具有理论指导意义
      2. 机械解理石墨烯与宽禁带半导体的接触特性:
      我们以石墨烯分别与 n 型 GaN、p 型 GaN 和 n 型 SiC 等宽禁带半导体的接触为主要研究对象,利用导电原子力显微镜(Conductive atomic force microscopy,C-AFM)系统研究了机械解理的理想石墨烯和宽禁带半导体接触的特性。我们利用热电子发射模型拟合 I-V 曲线获得了接触势垒的实验值,实验结果显示,相比于金与 n 型和 p 型 GaN 的接触势垒 0.5 V 和 0.87 V,石墨烯与 n 型和 p 型 GaN的接触势垒分别为 0.33 V 和 0.36 V,接触势垒显著降低。而且接触势垒的实验值与理论计算结果也非常吻合,因此在实验上证明了石墨烯具有费米能级自适应移动的特性。此外,我们利用理论模型,针对界面层间距、界面相对介电常数、宽禁带半导体态密度和载流子浓度等几个关键参数对接触势垒的影响进行了深
入探讨。
      3. CVD 生长石墨烯与宽禁带半导体的接触特性:
      目前面积和层数可控的 CVD 生长石墨烯将是未来应用的主流,因此我们进一步研究了 CVD 生长石墨烯与 n 型 GaN、p 型 GaN 和 n 型 AlN 等宽禁带半导体的接触特性。研究表明,CVD 生长石墨烯与宽禁带半导体接触后,与机械解理石墨烯相比,其势垒高度降得更低,与 n 型和 p 型 GaN 的接触势垒分别为 0.16 V和 0.28 V。这说明 CVD 生长石墨烯同样具有费米能级自适应移动的特性。但是与机械解理石墨烯不同,理论计算结果却与实验结果存在一定的偏差,我们认为这可能是由 CVD 生长石墨烯表面存在的褶皱等微观不规则结构所导致。此外,在研究 n 型 GaN 与 CVD 生长石墨烯接触时,我们利用扫描开尔文探针显微镜(Kelvin probe force microscopy, KPFM)研究了其不同极性面对接触性质的影响,结果发现不同 N 极性面与石墨烯形成的接触电势差较大,而 Ga 极性面则较小,并对该现象的物理机制进行了合理解释。
      4. 石墨烯褶皱的导电性:
      我们研究了 CVD 生长石墨烯中存在的微观褶皱结构对导电特性的影响。结果表明,石墨烯的褶皱结构能起到增强导电性能的作用,并在局域形成近欧姆接触。可能的原因是石墨烯结构的不规则使得载流子分布不均匀,形成了电子或空穴载流子的局域富集,从而导致了石墨烯局域的 n 型或 p 型自掺杂现象。
    5. 研究手段的特点:
     我们采用自主研发的扫描近场多功能探针系统作为主要研究手段,可综合运用导电原子力显微镜、扫描开尔文探针显微镜及 Raman 光谱等测量技术,从而在原位获得样品的导电特性、表面电势分布及 Raman 光谱信号等信息。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinano.ac.cn/handle/332007/736
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Recommended Citation
GB/T 7714
钟海舰. 石墨烯与宽禁带半导体材料的接触特性研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2012.
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