困扰肖特基半导体50余年的难题 或将被石墨烯破解

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韩国蔚山国立科技大学(UNIST)的一个科研团队在传统肖特基半导体的金属和半导体材料之间插入石墨烯,制备出了一种新型的肖特基二极管,大大提高了二极管的性能。他们的研究成果有望解决近50年来一直悬而未决的肖特基半导体的金属-半导体接触电阻问题,在科学界中引起了广泛的关注。

韩国蔚山国立科技大学(UNIST)的一个科研团队利用石墨烯材料创造了一种新技术,大大提高了电子器件中使用的肖特基二极管(金属-半导体结)的性能。他们的研究成果有望解决近50年来一直悬而未决的肖特基半导体的金属-半导体接触电阻问题,在科学界中引起了广泛的关注。

该团队在传统肖特基半导体的金属和半导体材料之间插入了石墨烯,制备出了一种新型的肖特基二极管,这项新发明全面超越了现有技术,在促进半导体行业发展上被寄予厚望。

该研究成果已经发布在了2017年1月份的《Nano Letters》杂志上,论文题目为:StrongFermi-Level Pinning at Metal/n-Si(001) Interface Ensured by Forming an IntactSchottky Contact with a Graphene Insertion Layer。

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肖特基二极管是以其发明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD是肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode,缩写成SBD)的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的,而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管,它是一种热载流子二极管。

然而,由于肖特基半导体金属-半导体界面处的原子会产生混合,产生接触电阻,造成二极管的性能不能达到理想状态(当电压被施加正向偏置时,理想二极管用作完美导体,并且当电压被施加反向偏置时,理想二极管类似于完美的绝缘体)。接触电阻对于肖特基半导体的物理性能非常重要,接触电阻的大小直接影响器件的性能指标。


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具有和不具有石墨烯插入层的Ni,Pt和Ti电极金属/ n-Si(001)结的电学性能测量结果对比

Kibog Park教授通过在金属-半导体界面插入石墨烯层解决了这个问题。在研究中,研究团队证明,由单层碳原子组成的石墨烯层不仅可以基本上抑制金属和半导体材料混合,而且与理论预测很好地匹配。

Park教授说:“石墨烯片中的每个石墨烯层之间有一定的空间,具有量子力学层面的高电子密度,导致没有原子可以穿过。因此,利用夹在金属和半导体之间的这种单层石墨烯,可以克服原本不可避免的原子扩散问题。

该研究还证实了之前的理论预测,即“在硅半导体中,不论其使用的金属的类型,结表面的电性质几乎不改变,”,HoonHahn Yoon该项研究的第一作者说。

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该研究还利用内部光电子发射方法测量新制造的金属/石墨烯/ n-Si(001)结二极管的电子能垒。上图所示的内部光电(IPE)测量系统对这些实验有很大贡献。这个系统由四位UNIST的研究生(Hoon HanYoon,Sungchul Jung,Gahyun Choi和Junhyung Kim)开发,作为本科研究项目的一部分在2012年进行,并得到韩国基础推进科学与创意(KOFAC)资助。