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現(xiàn)代工學(xué)院朱嘉教授課題組在納米尺度高純半導(dǎo)體雜質(zhì)調(diào)控方向取得新進(jìn)展
2021年01月25日 16:08:39
來源：南京大學(xué) 點(diǎn)擊量：5072
近日，南京大學(xué)聯(lián)合韓國基礎(chǔ)研究院、荷蘭AMOLF研究所與南京理工大學(xué)等單位，揭示了納米尺度下的金屬摻雜自抑制效應(yīng)，并基于此效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了高純度的納米硅材料的制備。
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】近日，南京大學(xué)聯(lián)合韓國基礎(chǔ)研究院、荷蘭AMOLF研究所與南京理工大學(xué)等單位，揭示了納米尺度下的金屬摻雜自抑制效應(yīng)，并基于此效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了高純度的納米硅材料的制備。 
納米尺度的雜質(zhì)控制對半導(dǎo)體性質(zhì)影響巨大，從而對于其在晶體管、傳感器、太陽能電池和能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。然而大量金屬原子注入半導(dǎo)體納米材料的現(xiàn)象已經(jīng)被廣泛報(bào)道，諸如鋁、金等被發(fā)現(xiàn)以遠(yuǎn)高于平衡固體溶解度的方式進(jìn)入到硅納米材料中。金屬摻入半導(dǎo)體的原子尺度過程尚未被完全理解，因此，如何理解并且控制半導(dǎo)體中金屬原子的注入是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。
針對于此，研究者首先通過理論計(jì)算揭示了在硅納米材料中的雜質(zhì)摻入量與其進(jìn)入硅晶格的方式緊密相關(guān)。對于鋁和金這一類原子，摻雜時(shí)傾向于以取代硅原子的方式，在晶格里與硅之間形成緊密結(jié)合，不利于脫出半導(dǎo)體；而對于錳或鎂這一類原子，摻雜時(shí)傾向于以填隙形式進(jìn)入硅晶格中，且結(jié)合能較弱，容易從晶格中脫離，這就是金屬摻雜自抑制效應(yīng)。通過雜質(zhì)流動(dòng)模型，研究者預(yù)測硅納米材料中的錳這一類金屬雜質(zhì)含量可以降低至10-10，比金或者鋁等低3-8個(gè)數(shù)量級 (圖一)。
圖一 關(guān)于鋁、金和錳、鎂這兩類不同種類的金屬在硅晶格里的嵌入脫出模型及理論計(jì)算結(jié)果。
基于這一理解，研究者使用化學(xué)氣相沉積法制備了基于錳金屬催化劑的硅納米線，并通過高分辨透射電鏡能譜和三維原子探針(理論度 1ppm)等手段，系統(tǒng)地驗(yàn)證了在所制備得到的硅納米線里未探測到任何錳金屬雜質(zhì)信號(圖二)，從而直接證實(shí)了納米尺度下的金屬摻雜自抑制效應(yīng)；基于高純度硅納米材料的場效應(yīng)晶體管也顯示了優(yōu)異的電傳輸性能。
綜上，這一金屬摻雜自抑制效應(yīng)為理解納米尺度下的金屬與半導(dǎo)體的結(jié)合行為提供了新的依據(jù)，也為未來設(shè)計(jì)和加工納米尺度的金屬-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、構(gòu)筑新型功能器件提供了新的方案。
圖二 錳催化劑制備的硅納米線的TEM及三位原子探針的表征結(jié)果，無任何錳雜質(zhì)信號被檢測出。
這一成果以“Self-inhibition effect of metal incorporation in nanoscaled semiconductors”為題發(fā)表在Proceedings of the National Academy of Sciences上。
該論文第一作者是南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院朱斌博士，北京交通大學(xué)伊丁副教授、南京大學(xué)博士研究生王毓熙為共同一作；通訊作者為南京大學(xué)朱嘉教授和韓國基礎(chǔ)研究院丁峰教授；同時(shí)該工作還得到了荷蘭AMOLF研究所Erik C. Garnett教授、孫虹宇博士，南京理工大學(xué)沙鋼教授、鄭功博士等合作者的大力支持。該研究得到了固體微結(jié)構(gòu)國家實(shí)驗(yàn)室(籌)微加工中心的技術(shù)支持，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目的資助。
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