用磁控溅射方法制备非晶碳膜/硅异质结及其电输运性质的研究

摘要

本文利用磁控溅射的方法在Si(100)基片上成功沉积了非晶碳膜(a-C)，并对其电输运特性、气压敏感性和气体敏感性进行了较为详细的研究。 第一部分研究了a-C/Si异质结的电压-电流(Ⅰ-Ⅴ)特性及其温度依赖效应。主要结果为：(1)随着外加电场、温度的变化，其I-V曲线将发生明显的变化。当施加较小的正向偏压时，在80～240 K的温度区间，其导电机制主要表现为Ohmic导电机制。然而随着正向偏压的增加，a-C/Si异质结的主要导电机制将由Ohmic转变为SpaceCharge Limit Current(SCLC)导电机制；而在高温区域(240～300 K)，a-C/Si异质结的导电机制主要为Ohmic。(2)在80～300 K温度区间内，a-C/Si异质结的结电阻随温度的规律变化，呈现出金属-绝缘体转变现象；并且随着外加偏压的增加，金属-绝缘体转变点将会向高温方向移动。(3)提出了相应的机理模型解释上述有趣的现象。 第二部分研究了a-C/Si异质结的气压敏感特性。主要结果为：(1)首次观测并报道a-C/Si异质结具有气压敏感特性。外界气体的压强对a-C/Si异质结的Ⅰ-Ⅴ性质具有较大的影响，尤其对于其反向的Ⅰ-Ⅴ性质。在某一恒定外加偏压下，当外界气体压强由100 Pa增加到100000 Pa，其结电阻将会增加到原来的3300％。研究结果表明，该异质结在开发、制备气压探测器件方面具有潜在的应用价值。(2)不同沉积气压、沉积温度下制备出的a-C/Si异质结的气压敏感特性具有较大的差别。通过对不同沉积气压、沉积温度下制备出的a-C/Si异质结的气压敏感性进行比较，发现：室温下、沉积气压为4 Pa时制备的a-C/Si异质结具有最佳的气压敏感特性。(3)提出了相应的机理模型解释观测到的气压敏感特性。 第三部分研究了a-C/Si异质结的气体敏感特性。主要结果为：(1)首次观测到a-C/Si异质结对于NH3气体具有敏感特性。NH3气体对a-C/Si异质结的Ⅰ-Ⅴ性质具有较大的影响，当外加反向电压恒定，将a-C/Si异质结由空气中转移到含有少量NH3气体的空气中，其结电阻将会迅速的增加到原来的约100倍，将a-C/Si异质结重新转移到空气中，其结电阻将会迅速恢复到初始值。(2)将铟电极、a-C薄膜和n-Si视为metal-insulator-semiconductor(MIS)结构，并建立了相应的理论模型用于解释a-C/Si异质结的气体敏感特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1课题的背景和意义

1.2传感器材料

1.2.1气压传感器材料

1.2.2气敏传感器材料

1.3非晶碳薄膜的制备方法

1.4碳材料的物理特性及非晶碳薄膜的理论模型

1.4.1非晶态半导体的相关知识

1.4.2非晶态半导体中的电子态

1.4.3碳材料的能带特点

1.4.4非晶碳膜的相关理论模型

1.5本论文的主要工作内容

第二章样品制备及表征方法

2.1样品的制备

2.1.1靶材的制备

2.1.2非晶碳薄膜的制备

2.1.3具体实验过程

2.2样品的结构表征及物性测量

2.2.1样品的结构表征测量方法

2.2.2样品的电学性能的测量方法

2.2.3样品的气压敏感性的测量方法

2.2.4样品的气体敏感性的测量方法

第三章实验结果分析与讨论

3.1非晶碳薄膜的电输运特性

3.1.1样品制备及实验方法

3.1.2非晶碳薄膜的表征与结构

3.1.3不同沉积温度对非晶碳薄膜／硅异质结的I-V特性的影响

3.1.4不同沉积时间对非晶碳薄膜／硅异质结的I-V特性的影响

3.1.5非晶碳薄膜／硅异质结的整流特性与温度依赖效应

3.2非晶碳薄膜／硅异质结的气压敏感性

3.2.1样品制备及实验方法

3.2.2非晶碳薄膜的表征与结构

3.2.3气体压强对a-C／Si异质结电输运性质的影响

3.2.3不同沉积气压对a-C／Si异质结气压敏感性的影响

3.2.4不同沉积温度对a-C／Si异质结气压敏感性的影响

3.3非晶碳薄膜的气体敏感性

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢