硅基半导体热滞现象的研究*

孙志刚 何雄 谢晴兴 李月仇 庞雨雨

(武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430070)

硅基半导体热滞现象的研究*

孙志刚 何雄 谢晴兴 李月仇 庞雨雨

(武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430070)

采用四线法研究Ag/SiO2/p-Si∶B/SiO2/Ag器件在不同温度下的电输运性能(V-I特性),在低温V-I特性曲线中观察到了明显的热滞现象.为了消除热滞现象带来的实验误差,文中提出了采用增强系统热传导以及延长连续两次测量的间隔时间的方法,并通过延长连续两次测量时间间隔的方式消除了热滞对器件电输运性能的影响.结果表明,在进行半导体基材料的电性能及磁阻效应的研究时,必须考虑热效应可能带来的影响,否则将导致错误的实验结果.

热滞;电性能;硅基半导体

目前,人们已对众多非磁性半导体,特别是Si[1-7]、Ge[8]、GaAs[9-10]、NbSb2[11]、CdTe[12]、Hg0.77Cd0.23Te[13]以及WTe2[14]等进行了大量的研究,其中外加磁场及温度等因素对电输运(电压-电流)性能影响的研究早已成为关注焦点之一.现有的研究表明:低温下在非磁性层状过渡族金属硫属化合物WTe2中观察到了巨大的正磁阻效应,该正磁阻数值在高磁场下仍不饱和；高温下高能态密度带参与导电,从而导致WTe2的磁阻曲线中出现开关效应[14].Delmo等[5]在n-Si中观察到的正磁阻效应归结为空间电荷效应导致的电中性破缺,从而导致了电场的不均匀性.Sun等[9]在Au/Si-GaAs/Au结构中得到了105%左右的磁阻效应,并归结于磁场下的雪崩效应.在上述磁阻效应的研究中,器件的焦耳热效应并没有得到重视.但在电输运性能研究中,焦耳热现象并不能完全被忽视,在某种情况下焦耳热效应还十分显著,如大电流情形或雪崩击穿[9]等.段明国[15]在研究BaTiO3铁电薄膜时发现高电流产生的焦耳热可以使电子脱离缺陷,从而使传导通道被打开.Kao[16]发现半导体中负微分电阻效应可能是由焦耳热增强谷间电子转移引起的.

文中选用四线法测量方式,以Ag/SiO2/p-Si∶B/SiO2/Ag器件为研究对象,对其在不同温度下的电输运性能进行研究.之所以选择Ag/SiO2/p-Si∶B/SiO2/Ag器件,是因为该器件是在Si基磁阻效应研究中比较常见的器件[4,6].文中研究了不同测试方式对器件热滞现象的影响,探讨热滞现象出现的机制,并给出了有效消除热滞现象的方案.

1 实验部分

文中选用p型硅掺硼(B)半导体作为研究载体,其样品质量约为0.05 g,使用丙酮和乙醇分别对样品进行表面清洁后,用低温导电银浆制备电极,最后将样品置于高温炉内烘烤30 min以增强电极的牢固性,其中烘烤温度设置为50 ℃.最终得到Ag/SiO2/p-Si∶B/SiO2/Ag器件.

文中选用ET9000系列电输运性质测试系统(北京东方晨景科技有限公司)对制备好的器件进行电输运性能测试,其中电流源表和电压测量表的型号分别为Keithley6220和Keithley2182A,选用的测试方式为四线法测量方式,对应的测量示意图如图1所示.

图1 Ag/SiO2/p-Si∶B/SiO2/Ag器件测量示意图

Fig.1 Schematic diagram of Ag/SiO2/p-Si∶B/SiO2/Ag device

2 结果与讨论

文中在未施加外磁场和不同温度情况下,分别测量所制得器件的电压-电流(V-I)特性曲线,结果如图2所示.为了探讨电流引起的热滞现象对半导体类材料电输运性能的影响,文中立即(即间隔时间Δt=0)以相同的方式重复测量.

由图2(a)、2(b)可知,不论温度在10 K还是在20 K下,系统立即重复测量得到的V-I曲线与初始测量的曲线都存在明显的差异,系统重复测量得到的测试电压值都比初始测量中相同电流下对应的测试电压值小.为了描述方便,文中将这种电压差记为ΔV,并计算得到了对应的ΔV-I曲线,如图2所示.显然,在低温下进行电性能测试时容易受热滞现象的影响:ΔV随着外加电流的增大呈现先增大后减小并趋近于0但不等于0的趋势.从图2(c)可知,在300 K下,系统重复测量得到的V-I曲线与初始曲线几乎完全重合,即ΔV≈0,没有表现出明显的热滞现象.这表明热滞现象对半导体类材料电性能的影响确实存在,且不容忽视,但这种影响程度受温度的影响. 器件样品在温度为20 K和外加磁场强度为1 T时的V-I曲线见图3,图中箭头指向为外加电流施加方向.测量方式为:电流先从20 μA增加到620 μA,再以相同测量步进值由620 μA减小到20 μA,最后立即重复电流从20 μA增加到620 μA的测试.由图3可知:在测量过程中,热滞现象十分明显,与电流不断增大过程相比,当电流逐渐减小时,相同电流点对应的测试电压都偏小.如果在磁阻效应的研究过程中,先测量零磁场条件下的电输运特性曲线,然后立即测量1 T或者其他磁场强度下的电输运特性曲线,那么由于热滞现象的原因(特别是在连续测量的过程中),可能会得到一个“伪磁阻”的结论.

图2 零磁场和不同温度下器件的的V-I曲线

Fig.2V-Icurves of the device without magnetic field at diffe-rent temperatures

图3 器件在温度为20 K、外加磁场强度为1 T时的V-I曲线

Fig.3V-Icurves of the device with the magnetic field intensity of 1 T at 20 K

为了说明热滞现象产生的原因,有必要考察样品所处的测试环境.在测量过程中,样品通过一个很薄的绝缘胶与铜样品台接触,其他部分暴露在真空环境下.记电流产生的焦耳热量为Q1,器件向四周传递的热量为Q2,那么

Q1=P1t=IVt,

Q2=P2t=κA(T2-T1)t/l.

其中,l为样品长度,A为样品的横截面积,T2-T1为样品与四周的温差,κ为热导率.

如果P2>P1,则器件产生的热量全部可以由热传导方式传到低温系统中,这时低温系统可以通过调节制冷功率来实现测试温度的稳定.如果P1>P2,器件表面热量不断积累,使得温差T2-T1变大,从而P2也变大,最终在某一温度达到一种平衡状态,即P1=P2.如果热导率比较低,会导致温度T2较高,从而导致器件的温度较高,在系统立即重复测量的过程中,与初始状态样品相比,器件的载流子热运动速率得到了提高,最终出现了如图2所示的热滞现象.

为了研究温度对热滞现象的影响,文中选用相同的测试方式得到了零磁场时样品器件电阻随温度的变化曲线,并计算出相对室温的平均电阻温度系数(TCR)随温度的变化曲线,如图4所示,其中电流为130 μA.由图4可知:当温度在室温(300 K)附近时,平均电阻温度系数接近于0；当温度低至20 K和10 K附近时,平均电阻温度系数的数值相对较大,且为负值,说明此时整个器件体系受温度的影响极大.这可能是由于低温时金属银与p型硅半导体之间的肖特基势垒高度受到温度的影响很大,而在室温附近几乎不受温度变化的影响,因此,低温下的热滞现象明显,而在50～300 K时热滞现象不明显.对比图2(a)和2(b)发现,温度越低,初始电压下对应的ΔV值越大,这是由于温度越低,对应的肖特基势垒高度越高，从而导致其受到热效应的影响越大.

焦耳热功率P1=I2R,由图4可知R(10 K)>R(20 K)≫R(300 K),则室温下P1将远小于低温(10 K和20 K)下的焦耳热功率,如图2所示,室温下热滞现象不及低温时的热滞现象明显.根据图2(b)的V-I曲线计算得到首次测试结束后电流产生的焦耳热约为Q=0.724 1 J.而硅的定压比热c(T)随温度的变化而变化,其中c(30 K)=16.328 5 J/(kg·K),c(100 K)=259.581 6 J/(kg·K)[17],在焦耳热作用下,样品温度会有所升高,则用这个温度区间的平均定压比热138 J/(kg·K)来进行估算,由Q=cmΔT可知,样品的温度将升高105 K左右,这表明样品在每次测试结束后会存在很大的热累积.

图4 电流恒定为130 μA和未施加磁场时器件电阻和平均电阻温度系数随温度的变化曲线

Fig.4R-Tcurve of the device without magnetic field atI=130 μA and corresponding TCR-Tcurve

为了消除这种热滞现象带来的影响,就必须使体系尽可能快地达到热平衡,可从以下两个方面进行:①促进样品的传热,即选用导热性能更加优良的导热Si脂和导热胶等去固定样品;②每完成一次测试之后不立即进行下一次测试,而是等待一段时间(Δt),这样可以使得样品的温度恢复到设定的温度,然后再进行后期测量,该方法实质上是增加热传导时间,从而实现器件体系内的热平衡.

为此,文中在零磁场条件和10 K、20 K温度下进行了不同时间间隔Δt的实验,其中测试方式保持不变,测试结果如图5所示.由图中可知,随着相邻两次测试时间间隔Δt的增加,ΔV逐渐减小,当测试时间间隔Δt分别为25 min和20 min时,对应的10 K和20 K下测得的ΔV更接近于0,而相对于Δt=0的情形(如图2(a)和2(b)所示),相同电流下的ΔV也更加接近于0,这就意味着热滞现象带来的影响程度已经比较小.因此,从某种意义上来说,在不同温度范围内可以控制热滞对半导体类材料电输运性能研究带来的影响.

图5 零磁场、不同温度和不同测量时间间隔下器件的V-I曲线

Fig.5V-Icurves of the device without magnetic field at diffe-rent temperatures and different measuring time-intervals

3 结论

本文在低温下硅基半导体电输运性能研究中发现了热滞现象,并通过延长测试间隔时间的方式,较好地消除了这种热滞现象对该器件电输运性能带来的影响.研究表明,在半导体类材料的电输运性能研究中,热滞现象不可忽视,这种热滞现象积累的热量可能使半导体器件本身的性质发生改变,从而对该类材料的电输运性能研究带来干扰,更有可能影响后期研究磁场和温度对该类材料电输运性能的作用效果,给实验结果带来较大的误差.因此,只有完全消除热滞效应才能得到真实的电输运性质.

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Research on Thermal Hysteresis of Silicon-Based Semiconductor

SUNZhi-gangHEXiongXIEQing-xingLIYue-chouPANGYu-yu

(State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China)

In this paper, the electrical transport properties (V-Icharacteristics) of Ag/SiO2/p-Si∶B/SiO2/Ag device at different temperatures are investigated by means of four-wire method, finding that an obvious thermal hys-teresis phenomenon occurs inV-Icurves at low temperatures. In order to eliminate the experimental errors caused by the thermal hysteresis, two methods of prolonging the interval between two consecutive measurements and improving the heat conduction ability of system are proposed, and the first method is used to remove the effects of the thermal hysteresis on the electrical transport properties of the device. The results show that when the electrical properties and magnetoresistance effects of semiconductor-based materials are investigated, the thermal hysteresis phenomenon should be treated carefully, otherwise it may lead to erroneous results.

thermal hysteresis; electrical properties; silicon-based semiconductor

1000-565X(2017)01- 0048- 05

2015- 11- 20

国家自然科学基金资助项目(11574243,11174231)

Foundation items： Supported by the National Natural Science Foundation of China(11574243,11174231)

孙志刚(1969-),男,教授,主要从事非磁性半导体电输运性能研究.E-mail:sun_zg@whut.edu.cn

TN 301.1; O472+.2

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.01.007