微波阻抗光谱学和温度影响电气性能的非盟C / BN /接口

文摘

在当前的研究中,一个非盟C / BN /微波连续肖特基器件设计和特征。设备形态和粗糙度进行评估通过扫描电子和原子力显微镜。Richardson-Schottky验证的电流传导传输机制是拟合实验数据,对温度的依赖关系的电流电压特性的设备是由电场辅助热电子发射电荷载体的势垒高度~ 0.87 ~ 1.1 eV和耗尽区宽度μm。耗尽宽度和势垒高度后随着温度上升。另一方面,进行的交流电导率分析100 - 1400 MHz的频率范围内揭示了统治的声子辅助量子力学隧道(跳跃)的运营商通过相关障碍(CBH)。此外,阻抗和功率谱研究进行gigahertz-frequency域显示resonance-antiresonance ~ 1.6 GHz的频率特性。这个设备的微波功率谱显示一个理想的带阻滤波器的切口~ 1.6 GHz的频率。这个设备的交流信号分析显示有前途的特点使用这个设备作为波陷阱。

1。介绍

Metal-semiconductor-metal (MSM)设备已经在关注科学家几十年来由于其广泛的应用。他们已经使用了电浆热电子光电探测应用程序(1)太阳能盲目紫外线光电探测器(2]。他们也用作双稳态数码影像应用电阻(3]。此外,MSM设备被用作变容器,可以达到截止频率308兆赫(4]。一个负责任的添加对这些设备的应用程序是使用nanoplasmonic波导中可以找到应用程序集成纳米光子电路(5]。

对于紫外线应用程序,宽的带隙材料最好是用来形成MSM设备。作为一个快速响应灵活紫外线光电探测器采用metal-semiconductor-metal结构InGaZnO光电二极管是捏造的6]。柔性光电探测器显示相对好光敏反应前后弯曲特征,保留好折叠再现性反复弯曲500周期。更重要的是,它显示了一个速度快,响应和恢复时间0.8和2.0女士,女士33.8毫秒,更快比报道的灵活的紫外探测器(6]。氮化硼MSM也用于制造设备。Gold-hexagonal硼nitride-gold超导隧道结用于转换光子,电子空间由谐振槽天线(7]。他们实现了偏振、定向和共鸣地增强光发射从非弹性电子隧穿7]。同时,基于氮化硼的MSM高度承诺实现高度敏感的固态热中子探测器与预期优势产生的半导体技术,包括体积小,重量轻,与其他功能集成设备的能力,和低成本4]。另一方面,在我们以前的工作(8),一个Ag / BN / Ni微波拒斥频带滤波器的设计和特点。设备是由电流电压的特点特点、微分电阻,频率,和权力依赖频率范围1.0 - -3.0 GHz (8]。氮化硼的上述技术应用表明微波遥感的新奇。因为BN展品非常高的功函数的宽9.64电动汽车由于其带隙与大多数金属很容易建立肖特基势垒。此外,回忆,Ag / BN / Ni设备是小说,因为它可以屏幕非常弱的微波信号适合手机放大器2.9 GHz (8),在这个工作我们的目标是制造新的这些MSM设备为目的的优化各种微波信号传感。特别,一个非盟C / BN / MSM带阻滤波器在高工作温度高达100°C是捏造和特征。带阻滤波器的设计,以便它可以停止信号即使在高温媒体在兆赫频率。该设备的特点是特征与不同的温度在306 - 373 K。另一方面,该设备的特点是使用一种阻抗材料分析仪和使用3.0 GHz信号发生器和3.0 GHz频谱分析仪。非盟的交流电流传导性能/ BN / C设备也探索了通过分析频率依赖的导电性的100 - 1800 MHz的频率范围。

2。实验的细节

1.0μ米金衬底热蒸发真空压力下的5×10⁻⁵mbar到玻片上。阿尔法蛇丘43.773万亿粘贴作为宽禁带半导体设计中盟C / BN / MSM设备。粘贴,准备在阿尔法蛇丘化学公司(包括产品编号043773)BN的典型解决方案的技术(50%)解决40%的水和10%的磷酸铝(AlPO4)。更多细节关于这个材料的属性以前给(9]。BN液体倒在金衬底,轻轻群,并为24小时晾干。由一个数字测微计,~ 400 BN层的厚度μm。记录的扫描电子显微镜图像的帮助下Jeol地产7600 f显微镜和用图表示1(一)显示形状规整的六角结构颗粒的大小在0.60到-0.36之间μm。另一方面,原子力显微镜(AFM)图像相同的样本显示在图1 (b)和评估的表面积9.0μ米²显示平均表面粗糙度()的145 nm和均方根高度偏差的平均水平~ 183 nm。表面高度很小的偏差与样品厚度和仅占总厚度的0.046%。这一结果表明,金属层(碳),位于顶部BN将代表同质和稳定的电极表面区域。非盟/ BN层是热处理在530 K 15分钟左右,以保证颗粒间的水分的缺失或通过BN片。的接触面积进行碳≈3.14×10⁻²厘米²。的特征数据被记录在不同的温度下在306 - 373 K的范围使用吉时利230可编程电压源,吉时利6485皮安表。气氛,让房间的温度是不同的观察设备自然操作条件。出于这个原因,大气的温度稳定性是由最精确的温度控制,至少10分钟的时间。提到范围中的每个加热循环后,电流电压特性曲线是比前一周期来保证操作的稳定性。另一方面,4291 b射频阻抗/材料分析仪是用于记录介质的数据。同样,一个N9310A射频信号发生器(9 kHz-3 GHz) Instek GSP 830 3 GHz频谱分析仪是用于收集功率谱数据。

3所示。结果与讨论

随着金属黄金的工作功能和碳5.34 eV和5.1 eV,分别和BN的p型(如由热探针技术)9.64 eV的势垒高度(9),非盟/ BN代表一个肖特基二极管和C / BN代表另一个肖特基二极管。表示Schottky-type金属在前面和罕见的一部分BN使非盟C / BN /设备结构代表metal-semiconductor-metal (MSM)背靠背肖特基设备。图2显示了特征的非盟C / BN / MSM设备注册在300 - 375 K的温度范围内。曲线,经过对数运算后读取(),增加温度降低当前值。,例如,在正向偏置电压为2.0 V和温度306 K的当前值是0.99 nA,当温度增加到339 K,目前成为0.17 nA和它到达0.12 nA的值T= 373 K。此外,正向偏压装置展览温度依赖交换性质。切换电压(V_年代)从低注入电流高注入电流随温度增加而增大。也就是说,增加从1.0 V, 1.8 V, 3.4 V至3.5 V随着温度的增加从306年开始,316年,328年,分别为339 K。在更高的温度高于339 K,切换功能没有可检测由于测量范围的限制。反向偏压方向V_年代表现出负的0.38,0.68,0.94,1.08,1.18,1.42,和1.22 V温度从306,316,328,339,350,361,373 K,分别。先前的调查后(8,10),正向偏置电流的特点分析了按照Richardson-Schottky模型假定直流电导通过电场辅助热电子发射。当前的电压取决于根,可以由以下方程[10]:

的分析的帮助下这个方程揭示了耗尽宽度()的斜率和字段的值独立势垒高度()电子运动的拦截通过各自的变化关系: 在(2)和(3),是设备领域,= 90 (11理查森是常数,=^1/2Richardson-Schottky系数,= 7.5 (11材料的光学介电常数。对温度的依赖关系的值耗尽宽度(),如数据所示3(一个)和3 (b)。因为它是可读的从图3(一个),结宽度从1.14变化μ米至2.26,达到3.3μ当温度从306增加到339,达到361 K时,分别。一致,势垒高度的值显示在图3 (b)从0.872增加到0.913,0.93 eV温度从306增加到339,达到361 K,分别。的变化率损耗能量势垒宽度和高度随温度按照数据的线性拟合(实线,如图所示3)和。势垒高度的增加和减少非盟C / BN /设备的宽度随着温度可以归因于许多物理原因像电子空穴复合率的增加,热膨胀,晶格常数随温度的变化。六方BN报道(12展示一个温度依赖的晶格常数(°C⁻¹),(°C⁻¹)+(°C⁻²)。沿着晶格参数c设在和沿一个设在BN的多晶体从6.7338增加到6.7505,从2.5024到2.5384随着温度的增加,从300年到360 K为每个细胞单位。另一方面,激子的能量带隙的六方BN据报道,展览~ 4.3×10的负温度系数⁻⁴电动汽车/°K [13]。后者的值表示对设备参数(预期的影响)相关的能量带隙BN的缩小。虽然收缩的能量带隙可能更少的影响,这表明一个增加的电荷载体运输从价到传导带这意味着更多的电子空穴复合率和更广泛的耗尽区。类似的特征,包括增加势垒高度随着温度观察Au / n-GaAs n-Ge二极管(14]。势垒高度的增加而增加温度是归因于电子空穴复合动力学和电场依赖性的势垒高度(类似于我们的情况下)。在另一项研究中,势垒高度的增加而增加的温度也分配给双高斯分布的能量壁垒的存在所代表的样本筛选的意思是势垒高度。双高斯分布的能量壁垒障碍的结果高度不均匀性在金属/半导体(MS)接口。

设备的能带图如图3 (c)。非盟的工作原理/ BN / C设备代表两个肖特基障碍背对背连接任何极性的偏压将一个肖特基势垒在相反的方向(非盟作为阴极),另一方向前进(C边作为阳极)[10]。而正向偏压二极管的损耗宽度变窄,反向偏置二极管的损耗宽度扩大。因此,测量宽度呈现在图3(一个)显示设备的有效势垒区宽度(10]。例如,在特定温度下,306 K的外观大反向电流降低,使整流的比例特征似乎是电阻通过解释当前的传输机制通过两个二极管损耗宽度和。当一个二极管的正向偏压,其消耗的宽度()收缩,导致大前锋和低反向电流低电压应用。狭窄的障碍使电荷传输通过隧道过程比(10]。在这种情况下,电流传导机制是由电场辅助隧道的带电粒子穿过狭窄的屏障一致(1)。另一方面,第二个二极管反向偏置及其损耗的宽度()扩大增加电压。这种行为也降低了反向电流的值相比,向前。然而,随着电压的进一步增加,第二二极管的耗尽区达到第一个地区导致平带状态,欧姆接触的性质主导(10]。另一个值得考虑的一点是,当达到穿通电压,成倍增加的电流与外加电压增加也受到电子空穴产生复合,雪崩故障和形象力降低势过程(10导致观察到的高反向电流。

同样值得注意的是,设备的电流电压特性表现出低整流比与高电阻的值(> 10米)。第5 - 11整流比率变化的范围。这种行为也观察到一些有机/无机垂直被分配到重组损失引起的表面陷阱州(15]。漏电电流是观察到的影响分布的缺陷和界面的质量。此外,六角,面心立方晶格不匹配黄金膜结构和钻石碳膜可能是一个主要原因是电子和空穴在不同空间的力约束。

图4显示了非盟的交流信号分析C / BN /二甲基砜装置被记录在1.8 GHz的帮助没有偏压条件下阻抗分析仪/材料。设备的并联电容光谱如图4(一)略随频率增加而降低到1594 MHz。对于较大的频率出现共振(系列)并联谐振(并行)在两个不同的频率区域振荡模式。串联谐振(f_年代)出现在1620和1647 MHz,而并联共振(f_p在1611年和1629 MHz)明显。resonance-antiresonance模式振荡的非盟C / BN /设备的重要性,因为它们可以作为波陷阱,有时插入系列天线的无线电接收器阻止流动的交流电的频率干扰,同时允许其他频率通过(16]。

resonance-antiresonance模式振荡的非盟C / BN /设备可以建模为两个平行的武器:动臂和静态的手臂。动臂是由一系列RLC电路而静态手臂由并联电容器表示。的反应阻抗()的动臂可以是积极的还是消极的根据频率;也在特定的串联谐振频率()反应阻抗最小(≈0),并联谐振(高阻抗共振)发生在一个特定的频率,当动臂的阻抗很高的阻抗相比静态的胳膊,设备可以建模为并联电容器。在这个频率()总导纳(Y)设备的最小值这表明静态手臂和反应的反应阻抗阻抗大小和动臂是等价的相反的迹象。另一方面,数字4 (b)显示设备的并联电阻与频率。阻力减少从6365.42Ω100 MHz到448.14 1800 MHz。阻抗的趋势看起来像是电容性设备的一部分,可以归因于相同的动力学。总效应称为阻抗(|Z|)光谱的有功和无功部分(电感和电容)是绘制在图4 (c)。注意到,随着频率的增加,减少。也就是说,减少从548.59Ω100 MHz至33.94Ω1800 MHz。这表明电容部分控制比电感阻抗负载的一部分。

给更深层意义的阻抗谱数据,交流电导率(从电导谱计算)()。显示在图的电导谱4 (d)展览越来越趋势的变化越来越频繁。在100 - 1400 MHz的频率范围变化可能是由关系。角频率()指数(),非盟是0.79 C / BN /设备。的增加频率在100 - 1400 MHz的频率范围的相关障碍跳跃机制的支配(CBH)样品(17,18]。按照这个模型价值的与和在无限intersite最大的势垒高度分离(结合能的载体本地化网站)和弛豫时间,分别。CBH模型假定电子跳对本地化的国家之间在费米能级和态密度的电导率有关()通过费米能级的关系(17,18]

在这个关系,是电子电荷,是典型的本地化长度= 10,赫兹是声子频率。实验数据的拟合电导率符合(1),揭示了精确频率指数参数(),如图4 (d)作为布朗色允许确定的价值作为100 - 850 MHz的频率范围。在无限intersite分离高度对应的最大障碍和发现0.97 eV和50 ps,分别。的值和与文献数据一致性好17,18]。

回忆的交流电导率增加而增加频率只要场的频率低于固体的载波跳变频率,你可以复制的实验数据更大范围的频率(100 - 1400 MHz)假设的存在高和低依法限制CBH电导率的关系

拟合曲线,红色的图所示4 (d)也可以复制的替代吗。优秀的实验和理论数据之间的一致性保证了正确性的统治CBH传导机制在非盟C / BN /设备。

值得通知的阻抗谱进行了讨论在这个工作没有偏压电场。相关障碍跳跃传导机制是一个声子辅助量子力学隧穿过程之间发生的缺陷状态和/或设备的损耗地区在非盟/ BN和C / BN接口。电场辅助隧道传导机制确定的直流分析显示房间温度势垒高度0.87 eV。这个值小于最大障碍高度在无限intersite分离,被确定为0.97 eV指示的正确性评价过程的传导机制。同样重要的是要注意,应用频率大于1400 MHz,电导变化的动态异常结果resonance-antiresonance现象的观察附近的1600 MHz。这种串并联谐振情况下在这个频率也观察到在许多差距玻璃材料包括玻璃本身(以我们实验室)。然而,由于玻璃涂有金属和金属直接连接到固定的阻抗分析仪,共振的情况主要是由于BN本身。考虑高峰出现在1600 MHz的负面的并联电阻模式由于BN,负阻特性和峰值本身可能起源于门口和应用偏差作为硼nitride-graphene异质结构(也被观察到19]。门口像法布里-珀罗干涉由电子声子散射和应用抑制偏见,代表一个平面波矢量匹配的狄拉克点电极排列。据报道,六方BN层可以诱导的不对称可调制的特点应用偏差(19]。在另一个工作涉及非盟的负阻和负电容/氧化锌/ n-GaAs肖特基势垒二极管,负电容的增加(高频率值的向前偏见)被分配到的串联电阻,界面状态,界面层。

的外观偏置电压依赖的共振峰的介电谱也观察到的频率范围1 k - 1 MHz的石墨烯oxide-doped镨钡钴氧化物nanoceramics是归因于特定分布的界面状态位于非盟和界面层和界面极化(20.]。

作为一个补充工作,图5显示了增益输出与输入频率被记录在3.0 GHz的帮助下功率谱和3.0 GHz信号发生器;输出获得了带拒绝滤波器中心频率1595 MHz。临界频率的值(称为缺口频率)是一致的,从电容检测光谱resonance-antiresonance频率范围。这两个测量技术之间的一致性表明,非盟C / BN /设备非常适合用作微波频率范围内的波陷阱。展览的两个终端简单设备的行为带阻滤波器可以使用RLC电路建模图的插图所示5。建模RLC滤波器电路的传递函数是由(21] 在哪里是角频率,中心频率,,阻尼因子。设备的建模进行了使用MATLAB程序提出了图中的虚线5。线代表拟合参数的RLC电路的输出R= 20.0,C= 1.0 pFl= 9.96 nH。中心频率()这个电路是1595 MHz的阻尼因子。这个设备的拟合参数值似乎是理想的用于微波技术。这种类型的过滤器在电信网络中得到应用。

提到是很重要的,在所有参数计算拟合程序是由一个特殊high-convergence最小化程序,利用回归和剩余平方和的()、确定系数和剩余的意思是方块统计分析。错误的数据进行评估是4 - 12%。典型的最适合的实验数据及其相关建模如图5。所有其他计算斜坡(如图3(一个)和3 (b))是受限制的残差平方和= 0.97。

4所示。结论

在这工作的一个新类BN基础设备生产和特征。设备被发现正常操作温度高达100°C。这个设备的温度效应是研究通过的电流电压特性显示越来越势垒高度和宽度损耗随着温度。阻抗谱分析在100 - 1800 MHz的频率范围可以确定当前的障碍跳跃传导机制相关。非盟的交流信号分析C / BN /设备显示resonance-antiresonance物理现象~ 1.6 GHz的频率。设备波捕获财产被输入交流信号的合适的频域,发现行为与前途理想窄带停止滤波器特性用于微波通信技术。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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