GS200在低維半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用？

文章出處：神州新元人氣：0發(fā)表時間：2024-07-31

什么是低維半導(dǎo)體材料

低維半導(dǎo)體材料是指維數(shù)低于三維的半導(dǎo)體材料，包括量子點材料(零維材料)、量子線材料(一維材料)和量子阱材料(二維材料)。其中碳納米管是典型的一維材料、石墨烯是典型的二維材料，研究這些材料的物理特性，如電子遷移率，霍爾效應(yīng)，熱導(dǎo)率，電導(dǎo)率，有效質(zhì)量等等，是目前低維半導(dǎo)體物理主要的研究領(lǐng)域。

低維半導(dǎo)體材料研究的意義

半導(dǎo)體材料的發(fā)展目前共經(jīng)歷了三代，**代材料是硅和鍺，第二代材料是砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)，第三代半導(dǎo)體材料是以碳化硅和氮化鎵為代表的寬帶隙半導(dǎo)體材料。在不同的領(lǐng)域使用的半導(dǎo)體材料不同，各種半導(dǎo)體材料形成互補的關(guān)系。

隨著器件小型化的不斷發(fā)展和集成度的不斷提高,傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體器件已經(jīng)逼近了其極限尺寸，趨向于納米級，到達這一尺寸后，一系列來自器件工作原理和工藝技術(shù)本身的物理限制以及制造成本大幅度提高等將成為難以克服的問題。與此同時,隨著實驗制備工藝和合成技術(shù)的發(fā)展,越來越多的納米材料和納米結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)出來，半導(dǎo)體材料有從三維體材料向低維材料方向發(fā)展的趨勢。

目前，基于GaAs和InP基的低維材料已經(jīng)發(fā)展得很成熟，而以氮化鎵、碳化硅、氧化鋅等為代表的第三代半導(dǎo)體材料也發(fā)展很快，這些材料都是寬帶隙半導(dǎo)體材料。它具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度快、介電常數(shù)小等特征，能夠在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體納米科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，將從原子、分子、納米尺度水平上，控制和制造功能強大、性能優(yōu)越的人工微結(jié)構(gòu)材料和基于它們的器件、電器與電路，使人類進入變幻莫測的量子世界，從而引發(fā)新的技術(shù)革命。

低維半導(dǎo)體材料研究中柵極電壓的重要性

首先，我們來看一下傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料器件，典型的代表是BJT(雙極結(jié)型晶體三極管)、MOSFET(絕緣柵型場效應(yīng)管)以及IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，這些器件目前廣泛應(yīng)用于日常生活中的家用電源、工業(yè)生產(chǎn)、電氣化交通、新能源技術(shù)等方面。

MOSFET的基本原理圖

上圖中，源極和漏極一定是跟同種摻雜的半導(dǎo)體相連的，圖中是N型。而柵極是通過一個由氧化物構(gòu)成的絕緣層(主要是SiO2)與P型半導(dǎo)體間接相連。P型半導(dǎo)體把源極和漏極隔絕開來，兩者的多數(shù)載流子是不同的，因此在沒有電壓的情況下，源極和漏極之間是沒有電流通過的。這是MOSFET的截止?fàn)顟B(tài)。

對于MOSFET來說，氧化物上面的電極相當(dāng)于電容器的上極板，P型半導(dǎo)體靠近氧化物的部分相對于下極板，而氧化物就相當(dāng)于兩個極板之間的電介質(zhì)。當(dāng)正電壓施加于柵極時，p型氧化物中也會感生出電子。這些電子會集中到靠近氧化物的區(qū)域內(nèi)，看起來像一個溝道一樣，宏觀上，這部分p型半導(dǎo)體變成了n型半導(dǎo)體。這樣源極和柵極中紅色區(qū)域n型半導(dǎo)體中的大量電子就可以通過這個溝道導(dǎo)通了，這是MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)。

從能級的角度來說，漏極的電子想到源極去，就需要翻過一座很高的山：柵極的p型半導(dǎo)體。只有能量特別高的電子才能成功翻過這座山。而當(dāng)有外界電壓加到柵極時，相當(dāng)于人為地把這座山給削平了，這樣大量能量一般的電子，也能成功翻越了。這就是MOSFET的截止和導(dǎo)通。

低維半導(dǎo)體材料研究中重要的低溫電子輸運就是類似這樣一個過程——使用新型低維材料為基底，施加?xùn)艠O電壓，研究磁場對于電子輸運的影響，從而改善新型半導(dǎo)體材料性能，提高電子輸運效率。此過程中需要將電子態(tài)控制在某個狀態(tài)，并且試驗時間可能長達一兩周，器件對電壓極其敏感，所以對柵極電壓的穩(wěn)定性要求極高，如果柵極電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)突變的情況下，可能會導(dǎo)致器件擊穿，從而損毀器件。

GS200源表

在低維半導(dǎo)體材料器件研發(fā)中能夠提供什么？

GS200作為橫河源表系列中精度和穩(wěn)定性高的源表，可以為低維物理電子輸運研究提供可靠的柵極電壓?？煽啃灾饕w現(xiàn)在兩方面：

（1）：高穩(wěn)定性：即長時間連續(xù)測量時，精度的變化情況。GS200可提供±設(shè)置的0.001%+20uV(10V量程、1天)的高穩(wěn)定電壓源以及±設(shè)置的0.004%+30uA(100mA量程、1天)的高穩(wěn)定電流源。下圖為GS200運行一小時的穩(wěn)定性示意圖。