[發明專利]基于晶格偶極子與載流子相互作用調節電傳輸性能的方法

有效

• 申請號: 201710429845.6
• 申請日: 2017-06-09
• 公開（公告）號: CN107316799B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 陳吉堃;姜勇;徐曉光;苗君;吳勇;孟康康
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種基于晶格偶極子與載流子相互作用調節電傳輸性能的方法。本發明通過在重摻雜半導體中引入晶格偶極子，利用偶極子與重摻雜半導體中的載流子的相互作用控制材料電導率、載流子濃度、載流子遷移率等載流子電輸運性能。在此基礎上,通過改變溫度、光觸發等外加條件對載流子與偶極子的庫倫作用程度，從而實現在不改變材料組分的前提下通過外界條件調節重摻雜半導體電傳輸性能的目的。本發明所述材料的載流子濃度隨溫度從20開爾文升高到室溫或在低溫光照觸發下顯著增加近兩個數量級，而遷移率降低，可進一步應用于制備電子器件導電通道層、光電材料半導體節、熱電材料與器件等方面，滿足相應器件設計中電極、通道層等的電傳輸性能與溫度、光照等變化關系要求。

技術領域

本發明屬于半導體材料與器件、導電氧化物材料領域，具體地涉及一種基于偶極子與載流子相互作用調節電傳輸性能的方法。其主要構思在于，通過在傳統重摻雜半導體材料體中制造鐵電偶極子，通過鐵電偶極子在溫度、光照等不同條件下與載流子的交互作用實現對半導體材料導帶劈裂程度的控制，從而達到在不改變材料組分與摻雜濃度的前提下調節半導體材料載流子濃度與遷移率的目的。本發明所述材料的載流子濃度隨溫度從低溫(20開爾文以下)升高到室溫或在低溫光照觸發下顯著增加近兩個數量級，而遷移率發生數量級的降低，可進一步應用于制備電子器件導電通道層、光電材料半導體節、熱電材料與器件等方面，滿足相應器件設計中電極、通道層等的電傳輸性能與溫度、光照等外界條件的變化關系要求。

背景技術

精確控制半導體材料的在不同條件下的電傳輸性能是實現其進一步器件化應用的關鍵所在。對于常溫下的傳統半導體材料而言，材料電導率由摻雜濃度所決定的載流子濃度以及載流子遷移率兩者的乘積決定。隨著摻雜濃度的增加，材料的電導率因載流子濃度的增加而增加，此同時載流子遷移率隨摻雜缺陷濃度的增加而有所降低。除摻雜濃度外，半導體材料的尺度、維度、微納米結構等性質在一定程度上同樣影響著半導體材料的載流子濃度與遷移率。例如，通過在填充式方鈷礦(Yb_0.26Co₄Sb₁₂)體材料中引入GaSb納米復合顆粒可以對低能量載流子進行過濾，從而實現對遷移率的提高【Acta Mater.58(2010)3995】。此外，與常規重摻雜半導體三維材料相比，重摻雜半導體與本征半導體接觸界面或非連續極化氧化物界面中所產生的二維電子氣，具有更高的載流子濃度與載流子遷移率【Appl.Phys.Lett.33(1978)665；Annu.Rev.Mater.Res.44(2014)151】。對半導體材料載流子濃度、遷移率等電學特性的有效控制對于進一步制備光電、熱電等能源轉換器件，以及存儲于邏輯電子元器件等方面應用具有重要的意義與價值。

常規重摻雜半導體的電傳輸特性接近于金屬材料，可應用于制備電子器件導電通道層、光電材料半導體節、熱電材料與器件等方面。因此對重摻雜半導體電傳輸特性的調節與控制尤為重要。對于重摻雜半導體材料載流子濃度通常由摻雜濃度決定，而載流子遷移率相對本征或輕摻雜半導體較低。其遷移率隨溫度的降低而升高，而載流子濃度的變化較小(通常在一個數量級之內)。例如，電子摻雜鈦酸鍶導電氧化物材料的遷移率隨溫度降低而增大，且增大幅度隨載流子濃度的增加而減小【Appl.Phys.Lett.102(2013)182101】。與此同時，材料的載流子濃度隨溫度變化不大，變化范圍小于一個數量級。如何通過控制外加條件實現對重摻雜半導體的載流子遷移了與載流子濃度在更寬廣范圍內的變化調節，是進一步拓寬重摻雜半導體材料器件應用的關鍵所在，具有重要的學術意義與重大的實際應用價值。雖然在以往報道中，調節重摻雜半導體的載流子電傳輸性質的方法(不改變材料組分)包括引入納米復合結構【Acta Mater.58(2010)3995】、材料尺度與維度控制【Science297(2002)2229】、界面控制等【Appl.Phys.Lett.33(1978)665；Annu.Rev.Mater.Res.44(2014)151】，但所實現的載流子遷移率的調節與控制較為有限。以往報道的文獻中，尚無一種方法可以實現在不改變材料組分的前提下通過外界條件使得載流子濃度和遷移率超過一個數量級的大幅調節。

發明內容