Mg2Si/Si异质结的制备及I-V特性研究*

王善兰，廖杨芳,2，吴宏仙，梁　枫，杨云良，肖清泉，谢　泉

(1.贵州大学 大数据与信息工程学院 新型光电子材料与技术研究所，贵阳 550025；2. 贵州师范大学 物理与电子科学学院，贵阳 550001)



Mg2Si/Si异质结的制备及I-V特性研究*

王善兰1，廖杨芳1,2，吴宏仙1，梁枫1，杨云良1，肖清泉1，谢泉1

(1.贵州大学 大数据与信息工程学院 新型光电子材料与技术研究所，贵阳 550025；2. 贵州师范大学 物理与电子科学学院，贵阳 550001)

采用磁控溅射和热处理系统制备Mg2Si/Si异质结。首先在n-Si(111)衬底上沉积Mg膜，经热处理后得到Mg2Si/Si异质结。利用XRD、SEM、表面轮廓仪、伏安特性测试仪和霍尔效应测试仪，研究了Mg2Si/Si异质结的晶体结构、表面形貌、Mg2Si薄膜厚度、I-V特性及导电类型。结果表明，成功制备了Mg2Si/Si异质结，并得到其平均载流子浓度(-9.30×1012cm-3)、导通电压(0.31 V)、导通电流(0.6 mA)、工作电压(0.53 V)等，测得该异质结为n-n型。

磁控溅射；Mg2Si/Si异质结；I-V特性

0　引　言

半导体材料是一类具有半导体性能，可用于制作半导体器件和集成电路的电子材料。硅材料及硅化物是当今产量最大、应用最广的半导体材料，是我国电子行业发展的基础[1]。自主研发相关新材料、新器件对增强国际竞争力、实现经济的可持续发展和保障国家安全有着重要的作用。而Mg2Si材料便是为数不多的硅化物材料，因为其组成材料无毒无害，地表含量丰富，是1种新型环境友好半导体材料，已经引起了人们的关注[2]。

新型环境友好半导体Mg2Si材料具有许多优良性能[2-3]，如Mg2Si薄膜的特征波长为1.2～1.8 μm，是1种理想的红外发光材料，热电性能优良(ZT>1)，是1种有发展潜力的热电材料，能在Si基上外延生长，有良好的欧姆接触，与传统的Si工艺兼容，其结构和电性能非常稳定等，在光电子器件、量子器件、能量器件等领域具有重要的应用前景[4-7]。然而因为金属Mg有很高的蒸汽压，即使在200℃时[8]，其凝结系数也非常小[9]，而且Mg2Si在高温条件下容易分解与氧化。因此制备Mg2Si薄膜较困难。本文实验组已克服困难，成功制备了单一相的Mg2Si薄膜[10-13]。

当半导体材料发展到一定程度，便是应用其独特的性质制备出相应的半导体器件，而半导体器件的核心是p-n结，p-n结是组成集成电路的主要细胞，是制备出性能优良器件的关键，而p-n结又分为同质结和异质结，异质结又分为同型异质结(n-n，p-p)和反型异质结(n-p，p-n)[12]。在1957年，克罗默便已经指出由导电类型相反的两种材料制成的异质结比同质结具有更高的注入效率。目前对Mg2Si的研究尚处于基础性质研究阶段，其相应的器件制备报道较少，而本文则主要采用工业上常用生产设备磁控溅射和热处理方法制备了Mg2Si/Si异质结，并对其相应的电学性质进行了研究。

1　实　验

1.1Mg2Si/Si异质结的制备

采用中科院沈阳科学仪器研究中心制备的JGP560CVⅢ型带空气锁的超高真空多靶磁控溅射镀膜系统和SGL80型高真空退火炉。衬底是n-Si(111)，电阻率为0.1～0.01 Ω·cm，纯度为99.999%，Mg靶纯度为99.99%。在衬底放入溅射系统之前对其在丙酮中进行了超声清洗15 min，然后用无水乙醇、去离子水分别清洗，再用稀释的HF(n(HF)∶n(H2O)=1∶50)浸泡约1 min后再用去离子水超声清洗。烘干后，放入磁控溅射系统进样室抽真空，当背底真空度为10-4Pa时，通入氩气，在压强为7 Pa、流量为20 mL/min、射频功率为100 W条件下进行反溅，溅射10 min后，送入溅射系统的溅射室。当溅射室的背底气压优于3.0×10-5Pa时，通入氩气，调节氩气流量计，保持流量为30 mL/min，再调节抽气阀门，使溅射室的气压达到3.0 Pa，溅射功率100 W。打开射频溅射系统，开始溅射Mg 25 min。溅射后的Mg/Si结构在400℃退火4 h形成Mg2Si/Si异质结[14]。

1.2样品表征

采用XRD(Bruker AXS，D8 advance)和SEM(Hitachi，S-4800)分析了Mg2Si/Si异质结的晶体结构和表面形貌，Mg膜厚度以及经过退火后形成的Mg2Si薄膜的厚度通过台阶仪和断面的SEM测量，采用安捷伦的半导体器件分析仪，型号为B1500A测得其I-V特性，通过霍尔效应测得其电学及其输运性质。

2　结果与讨论

2.1Mg2Si/Si异质结的XRD表征

图1为样品经400℃退火4 h后的XRD图。3个最强峰分别位于2θ≈40.121°、24.241°和58.028°，与国际粉末晶体衍射标准卡片对比，可以确定所制备的样品为单一相的Mg2Si薄膜。异质结为Mg2Si/Si异质结。

2.2Mg2Si/Si异质结的SEM表征及表面轮廓表征

图2为样品的扫描电镜(SEM)图像。从图2中可以看出，沉积的Mg/Si结构，经过400℃退火4 h后的Mg2Si结晶已完成，形成了致密连续的薄膜。并通过断面测得薄膜厚度为1.92 μm。由表面轮廓仪测试结果可知退火前Mg膜厚度为653.6 nm，由退火前Mg膜厚度与退火后生成的Mg2Si膜厚度比约为1∶3可知，最后生成的薄膜厚度约为1 960.8 nm即1.96 μm[15]。与断面测试结果吻合较好。从图中可以看出，在界面处有一个向上的突变峰，这个峰的出现是由于制作台阶时，台阶边缘效应而引起的。

图1　退火后样品的XRD图谱

2.3Mg2Si/Si异质结I-V特性

对Mg2Si/n-Si异质结进行霍尔效应测试，研究结果表明，Mg2Si薄膜的导电类型n型。载流子浓度为-9.30×1012cm-3，霍尔迁移率0.419 cm2/(V·s)。我们利用安捷伦公司的半导体分析仪研究Mg2Si/Si异质结的I-V特性，获得器件的开启电压、直流电阻、交流电阻、击穿电压、反向电流等器件电学参数，为其应用于发光器件奠定基础。图3为同一个Mg2Si/Si异质结样品3个不同测试点测试的I-V特性曲线图，测试电压范围为-10～3.5 V。

图3　Mg2Si/n-Si异质结样品的I-V曲线

图4为Mg2Si/Si异质结样品在0～1 V的I-V特性曲线图。图5为通过对I-V曲线进行分析，得出Mg2Si/Si异质结样品动态电阻随电压变化曲线图。

图4　Mg2Si/n-Si异质结0-1 V的I-V曲线

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

图5　Mg2Si/n-Si异质结样品电阻随电压变化曲线

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

结合图3，4可以得出：(1)当外加电压<0.1 V时，正向电流很小，在微安量级；当外加电压在0.1～0.3 V时，正向电流值从几十微安逐渐增加到几百微安；当外加电压超过0.3 V时，正向电流突然从微安量级增加到毫安量级，并逐渐增大；当电压超过1 V时，电流随电压成一次函数增加；(2)当外加反向电压时，电流随着电压逐渐增加，其都在微安量级；当反向测试电压接近最大电压10 V时，电流有增大的趋势；(3)图4中的直线与二极管静态工作点相交；(4)从图5可以看出，当电压>1 V时，电阻随电压几乎没有变化，说明电流和电压近似为线性关系，Mg2Si/n-Si异质结等同于一个线性电阻，工作电压区间较大，工作稳定性良好，可以当作电阻使用；(5)图3中，当加正向电压>1 V时，其中有一条曲线出现不稳定的状态，经对样品电极的分析，可能是测试点与测试探针之间接触不是很好，或是该处的Al与薄膜层的接触不好引起电流的不稳定。

由图可知开启电压为0.3 V，导通电流为0.6 mA，过导通电压点做I-V曲线的切线(如图4所示)，与曲线的交点近似认为Mg2Si/n-Si异质结的工作电压VD、工作电流ID，且当电压大于该点电压VD后，电压与电流成线性关系。交流电阻近似为

通过以上分析，得出Mg2Si/n-Si异质结的I-V特性参数表(如表1所示)。

表1　Mg2Si/n-Si异质结的I-V特性参数

结合表1进行分析，Mg2Si/n-Si异质结具有良好的耐压性，且正向工作点稳定，在电压>1 V是可以作为线性电阻使用的。

3　结　论

采用磁控溅射的方法，在n型Si(111)衬底上溅射沉积了Mg膜，经过真空退火后制备了Mg2Si/n-Si异质结，通过XRD、SEM分析制得的单一相Mg2Si薄膜，且薄膜连续均匀，电学与输运性质表明其为n型导电，载流子浓度为-9.30×1012cm-3,霍尔迁移率0.419 cm2/(V·s)，其I-V特性良好，测得其导通电压为0.31 V，工作电压为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

国家自然科学基金资助项目(61264004)；贵州省国际科技合作资助项目(黔科合外G字[2012]7004,[2013]7003)；贵州省自然科学基金资助项目(黔科合J字[2014]2052)；贵州省科技厅、贵州大学联合资金资助项目(黔科合LH字[2014]7610)

2015-08-09

2015-12-08 通讯作者：谢泉，E-mail:qxie@gzu.edu.cn

王善兰(1991-)，女，四川大竹人，在读硕士，师承谢泉教授，从事电子材料与器件研究。

TB34;TB303

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.09.017