LaBaMnO3 薄膜/Si 異質(zhì)結(jié)的整流特征

郝蘭眾 劉云杰

（中國石油大學〈華東〉理學院 山東 青島 266555）

0 前言

自從高溫超導(dǎo)和巨磁阻現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以來，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鑭系氧化物薄膜材料，如LaCaMnO3、LaSrMnO3及LaBaMnO3（LBMO）等，受到了光泛的研究[1-3]。 考慮到其良好的磁學、光學及電學等性質(zhì)，若把鑭系氧化物薄膜與其它氧化物材料集成在一起，不僅可研制具有光、磁、電等各種功能一體化的多功能器件，還很有可能會出現(xiàn)一些新奇的現(xiàn)象和效應(yīng)，如優(yōu)良的整流性質(zhì)等[4,5]。 從實際應(yīng)用出發(fā)，將鑭系鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物薄膜與半導(dǎo)體材料疊加在一起更具有實際應(yīng)用價值，特別是該類薄膜材料與硅（Si）半導(dǎo)體的集成。 這將有利于實現(xiàn)功能器件與大規(guī)模集成電路的集成和一體化。

本文中，我們利用直流磁控濺射的方法，成功在n-Si 半導(dǎo)體襯底上制備LaBaMnO3（LBMO）薄膜，從而形成新型p-n結(jié)。 通過性能測量，本文對所制備p-n 結(jié)的電流-電壓（I-V）性質(zhì)特征進行研究。

1 實驗

利用直流磁控濺射方法， 在n-Si 半導(dǎo)體襯底表面沉積LBMO 薄膜。實驗中所使用的Si 襯底的電阻率為2-5Ωcm。在沉積薄膜之前，首先將Si 襯底在去離子水、酒精和丙酮中反復(fù)多次清洗。 然后，將清洗后的Si 襯底在氫氟酸溶液（3%）中浸泡3 分鐘，以去除Si 表面的非晶氧化物層。 利用高純氮氣吹干以后，迅速將Si 襯底移入真空腔。薄膜制備過程中，真空腔中氣壓為6Pa，其中氧氣與氬氣的流量比為1：2。 基片溫度保持500℃不變。LBMO 薄膜的厚度約為80nm。沉積完成后，在純氧條件下將LBMO 薄膜進行原位高溫退火處理。 退火溫度為700℃，氧氣壓為0.5 大氣壓，退火時間為30 分鐘。

利用X 射線衍射（XRD）技術(shù)對LBMO/Si 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)進行分析。 通過電流-電壓 （I-V） 曲線測量， 研究LBMO/Si p-n 結(jié)的電學性質(zhì)特征。

2 結(jié)果與討論

圖1 為LBMO/Si 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的XRD θ-2θ 掃描圖譜。 從圖中可以看出，除了Si 半導(dǎo)體襯底的（200）和（400）衍射峰外，僅有LBMO 薄膜的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)衍射峰。LBMO（100）、（200）和（211）多個衍射峰的出現(xiàn)，表明所制備的LBMO 薄膜為多晶結(jié)構(gòu)。 對比各個衍射峰的強度，從圖中可以看出LBMO（211）晶向為擇優(yōu)晶向。

圖1 LBMO/Si 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的X 射線衍射分析圖譜

圖2 不同測試溫度條件下，LBMO/Si p-n 結(jié)的I-V 曲線。 插圖為I-V 性質(zhì)測量結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 為不同測試溫度條件下，LBMO/Si p-n 結(jié)的I-V 曲線。插圖為I-V 性質(zhì)測量結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，在整個測量溫度范圍內(nèi)（180-300K），所制備的LBMO/Si p-n 結(jié)均表現(xiàn)出明顯的整流特征，即正向?qū)ā⒎聪蚪刂埂?該特征與常規(guī)的半導(dǎo)體p-n 結(jié)類似。 根據(jù)測試結(jié)果，可以計算得到LBMO/Si p-n 結(jié)的整流比（I+V/I-V）。當測試溫度為300K 和外加電壓為5 V 時，該p-n 結(jié)的整流比（I+10V/I-5V）超過102數(shù)量級。

上述LBMO/Si p-n 結(jié)中的整流性質(zhì)可利用半導(dǎo)體能帶理論進行解釋。 由于費米能級不同， 當在n-Si 基片上沉積LBMO 薄膜后，電子將從費米能級高的n-Si 流向費米能級低的p-LBMO。 因而，n-Si 的費米能級不斷下移，而p-LBMO 的費米能級不斷上移，直至二者的費米能級相等為止。 此時，pn 結(jié)具有統(tǒng)一的費米能級，處于平衡狀態(tài)。能帶相對移動的原因是p-n 結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場的結(jié)果。 隨著從n-Si指向p-LBMO 的內(nèi)建電場的不斷增強，空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢由n-Si 到p-LBMO 不斷降低，而電子的電勢能則不斷增加。所以，LBMO 薄膜的能帶相對n-Si 的上移，而n-Si 的能帶相對LBMO 薄膜的下移，直至費米能級處處相等，能帶才停止相對移動，p-n 結(jié)達到平衡狀態(tài)。 平衡p-n 結(jié)中，存在著一定寬度和勢壘高度的勢壘，其中相應(yīng)的出現(xiàn)內(nèi)建電場，電子的擴散電流和漂移電流互相抵消，沒有凈電流通過p-n 結(jié)。 在外加反向偏壓作用時，反向偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場方向一致，勢壘區(qū)的電場增強，勢壘區(qū)變寬，勢壘高度增加。 因此，隨著反向電壓的增加，反向電流趨于飽和。 在外加正向電場的作用下， 正向電場與勢壘區(qū)的內(nèi)建電場方向相反，因而減弱了勢壘區(qū)的電場強度。 同時，勢壘區(qū)的寬度減小，勢壘高度也降低。 隨著正向電場的增加，勢壘高度逐漸減小。 當外加電場達到某一閾值電壓時，大量電子將躍過勢壘，參與p-n 結(jié)的導(dǎo)電，使p-n 結(jié)中的電流迅速增加，從而使p-n結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

3 結(jié)論

利用直流磁控濺射濺射的方法，在n-Si（100）基片表面沉積LBMO 薄膜，從而形成p-LBMO/n-Si p-n 結(jié)。 XRD 分析結(jié)果表明：所制備的LBMO 薄膜為多晶鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其晶格結(jié)構(gòu)具有（211）擇優(yōu)取向。I-V 性質(zhì)測量結(jié)果顯示：LBMO/Si p-n結(jié)具有明顯的整流特征，即正向?qū)?、反向截止?因此，該類p-n 結(jié)在新型半導(dǎo)體電子器件中具有巨大潛在應(yīng)用。

［1］張福恒，王凌飛，黃振，吳文彬.La0.67Ca0.33MnO3/NdGaO3（001）薄膜中外延應(yīng)變誘導(dǎo)的各向異性磁阻效應(yīng)[J].低溫物理學報,2011,33（03）:166-169.

［2］李國民，王凌飛，黃振，吳文彬.La0.67Ca0.33MnO3薄膜中中的各向異性應(yīng)變與電荷有序[J].低溫物理學報,2011,33（01）:10-14.

［3］A. Sawa, T. Fujii, M. Kawasaki, and Y. Tokura. Hysteretic currentvoltage characteristics and resistance switching at a rectifying Ti/PCMO interface [J].Appl. Phys. Lett.,2004,85（18）:4073-4075.

［4］劉新軍，李效民，王群，楊蕊，曹遜，陳立東.Ti/La0.7Ca0.3MnO3/Pt 結(jié)構(gòu)器件中負電阻開關(guān)特性研究[J].無機材料學報，2010，25（2）:151-156.

［5］萬冀豫，金克新，譚興毅，陳長樂.Pr0.5Ca0.5MnO3/Si 異質(zhì)結(jié)輸運特性和整流特性研究[J].物理學報，2010，59（11）:8137-8141.