[发明专利]基于晶格偶极子与载流子相互作用调节电传输性能的方法

说明书

一种基于晶格偶极子与载流子相互作用调节电传输性能的方法。本发明通过在重掺杂半导体中引入晶格偶极子，利用偶极子与重掺杂半导体中的载流子的相互作用控制材料电导率、载流子浓度、载流子迁移率等载流子电输运性能。在此基础上,通过改变温度、光触发等外加条件对载流子与偶极子的库伦作用程度，从而实现在不改变材料组分的前提下通过外界条件调节重掺杂半导体电传输性能的目的。本发明所述材料的载流子浓度随温度从20开尔文升高到室温或在低温光照触发下显著增加近两个数量级，而迁移率降低，可进一步应用于制备电子器件导电通道层、光电材料半导体节、热电材料与器件等方面，满足相应器件设计中电极、通道层等的电传输性能与温度、光照等变化关系要求。

技术领域

本发明属于半导体材料与器件、导电氧化物材料领域，具体地涉及一种基于偶极子与载流子相互作用调节电传输性能的方法。其主要构思在于，通过在传统重掺杂半导体材料体中制造铁电偶极子，通过铁电偶极子在温度、光照等不同条件下与载流子的交互作用实现对半导体材料导带劈裂程度的控制，从而达到在不改变材料组分与掺杂浓度的前提下调节半导体材料载流子浓度与迁移率的目的。本发明所述材料的载流子浓度随温度从低温(20开尔文以下)升高到室温或在低温光照触发下显著增加近两个数量级，而迁移率发生数量级的降低，可进一步应用于制备电子器件导电通道层、光电材料半导体节、热电材料与器件等方面，满足相应器件设计中电极、通道层等的电传输性能与温度、光照等外界条件的变化关系要求。

背景技术

精确控制半导体材料的在不同条件下的电传输性能是实现其进一步器件化应用的关键所在。对于常温下的传统半导体材料而言，材料电导率由掺杂浓度所决定的载流子浓度以及载流子迁移率两者的乘积决定。随着掺杂浓度的增加，材料的电导率因载流子浓度的增加而增加，此同时载流子迁移率随掺杂缺陷浓度的增加而有所降低。除掺杂浓度外，半导体材料的尺度、维度、微纳米结构等性质在一定程度上同样影响着半导体材料的载流子浓度与迁移率。例如，通过在填充式方钴矿(Yb_0.26Co₄Sb₁₂)体材料中引入GaSb纳米复合颗粒可以对低能量载流子进行过滤，从而实现对迁移率的提高【Acta Mater.58(2010)3995】。此外，与常规重掺杂半导体三维材料相比，重掺杂半导体与本征半导体接触界面或非连续极化氧化物界面中所产生的二维电子气，具有更高的载流子浓度与载流子迁移率【Appl.Phys.Lett.33(1978)665；Annu.Rev.Mater.Res.44(2014)151】。对半导体材料载流子浓度、迁移率等电学特性的有效控制对于进一步制备光电、热电等能源转换器件，以及存储于逻辑电子元器件等方面应用具有重要的意义与价值。

常规重掺杂半导体的电传输特性接近于金属材料，可应用于制备电子器件导电通道层、光电材料半导体节、热电材料与器件等方面。因此对重掺杂半导体电传输特性的调节与控制尤为重要。对于重掺杂半导体材料载流子浓度通常由掺杂浓度决定，而载流子迁移率相对本征或轻掺杂半导体较低。其迁移率随温度的降低而升高，而载流子浓度的变化较小(通常在一个数量级之内)。例如，电子掺杂钛酸锶导电氧化物材料的迁移率随温度降低而增大，且增大幅度随载流子浓度的增加而减小【Appl.Phys.Lett.102(2013)182101】。与此同时，材料的载流子浓度随温度变化不大，变化范围小于一个数量级。如何通过控制外加条件实现对重掺杂半导体的载流子迁移了与载流子浓度在更宽广范围内的变化调节，是进一步拓宽重掺杂半导体材料器件应用的关键所在，具有重要的学术意义与重大的实际应用价值。虽然在以往报道中，调节重掺杂半导体的载流子电传输性质的方法(不改变材料组分)包括引入纳米复合结构【Acta Mater.58(2010)3995】、材料尺度与维度控制【Science297(2002)2229】、界面控制等【Appl.Phys.Lett.33(1978)665；Annu.Rev.Mater.Res.44(2014)151】，但所实现的载流子迁移率的调节与控制较为有限。以往报道的文献中，尚无一种方法可以实现在不改变材料组分的前提下通过外界条件使得载流子浓度和迁移率超过一个数量级的大幅调节。

发明内容