應(yīng)變SrTiO3/GaAs 異質(zhì)結(jié)的整流特性研究

楊萬里, 陳曉偉, 高玉婷, 李 楊, 王 嚴(yán), 翟章印

(1.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

0 引言

近年來,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物引起廣泛關(guān)注．介電、鐵電、鐵磁、高溫超導(dǎo)等多種功能氧化物材料都具有鈣鈦礦或類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)[1-3]．這種結(jié)構(gòu)可以用ABO3來表示,A位為稀土元素,陽離子呈12配位結(jié)構(gòu),位于八面體空隙位置．B位為過渡元素,陽離子與六個氧離子構(gòu)成八面體配位．鈦酸鍶(SrTiO3,STO)是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物中的一個典型代表,它的晶格參數(shù)為0.3905 nm,與大多數(shù)功能氧化物匹配良好,所以經(jīng)常被用作各種功能氧化物材料的襯底[4]．STO本身也有很高的研究價值．最近,人們在其異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn)一系列奇異性質(zhì),如室溫鐵電性、壓電效應(yīng)、超導(dǎo)性、二維電子氣等[3,5-8]．

目前,半導(dǎo)體集成技術(shù)日趨成熟．隨薄膜制備技術(shù)的提高,功能氧化物材料與半導(dǎo)體的集成成為可能．在不同取向的硅基片上外延生長STO已經(jīng)實(shí)現(xiàn)[9]．砷化鎵(GaAs)是第二代半導(dǎo)體中的代表,具有直接帶隙,閃鋅礦結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)為0.565 nm．其電子遷移率比硅大5～6倍,在微波器件和高速數(shù)字電路方面有重要應(yīng)用．它還可以制成電阻率比硅、鍺高3個數(shù)量級以上的半絕緣高阻材料,用于光電導(dǎo)開關(guān)、集成電路襯底、紅外探測器、γ光子探測器等．因此,在砷化鎵基片上外延生長鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物具有很高的研究和應(yīng)用價值．

無摻雜的STO是一種絕緣體材料,帶隙為3.2 eV．陽離子摻雜或缺氧情況下能變?yōu)镹型半導(dǎo)體[10]．在P型GaAs基片上生長缺氧的STO可能實(shí)現(xiàn)p-n異質(zhì)結(jié)[11]．而且,STO/GaAs異質(zhì)結(jié)也可作為其他功能氧化物材料的贗襯底[12,13]．

本文中采用脈沖激光沉積(PLD)在P型GaAs基片上外延生長了缺氧的STO薄膜,形成STO/GaAs p-n異質(zhì)結(jié),研究了其室溫和低溫下的整流特性和光照對其整流特性的影響．

1 實(shí)驗(yàn)過程

采用脈沖激光沉積方法在Zn摻雜的GaAs單晶基片上外延生長STO薄膜．靶材為STO單晶,使用波長為248 nm的KrF準(zhǔn)分子激光器,功率為400毫焦/脈沖,頻率2 Hz,靶材與基片距離5cm,腔體背底真空1.0×10-4mBar．生長溫度580℃．在背底真空下鍍膜以實(shí)現(xiàn)STO薄膜的缺氧,從而形成半導(dǎo)體導(dǎo)電性．鍍膜后自然冷卻至室溫．薄膜厚度采用Dektax3ST臺階儀測量,膜厚約為200 nm．結(jié)構(gòu)測試使用西門子D5000高分辨X射線衍射儀．電輸運(yùn)測量采用物理性能測試系統(tǒng)．

2 結(jié)果與討論

圖1 STO/GaAs異質(zhì)結(jié)的X射線衍射圖

圖2為STO/GaAs異質(zhì)結(jié)室溫下的I-V特性曲線(圖中空心方塊為實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)線為擬合數(shù)據(jù))．該曲線具有與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相同的整流特性,即正向超過導(dǎo)通電壓后電流迅速增大,反向不導(dǎo)通．說明STO/GaAs異質(zhì)結(jié)之間形成了p-n結(jié)．該結(jié)的正向?qū)妷杭s為0.8 V．半導(dǎo)體p-n結(jié)的電流-電壓關(guān)系一般可以采用公式I∝exp(qV/ηkT)擬合,其中I為電流,V為電壓,q為電子電荷量,k為波爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度,η為理想因子．我們擬合算得該p-n結(jié)的理想因子為41.6,遠(yuǎn)大于常規(guī)半導(dǎo)體p-n結(jié)的理想因子．理想p-n結(jié)的理想因子為1．考慮摻雜效應(yīng),常規(guī)的半導(dǎo)體的理想因子在1～2之間．因此,我們認(rèn)為該結(jié)具有不同于常規(guī)半導(dǎo)體p-n結(jié)的輸運(yùn)機(jī)制．流過常規(guī)半導(dǎo)體p-n結(jié)的總電流為擴(kuò)散電流與復(fù)合電流之和．而該結(jié)中的電流的輸運(yùn)可能為隧穿電流．因?yàn)樗淼澜Y(jié)的理想因子通常較大,例如STO/Si結(jié)的理想因子為42,與該結(jié)幾乎一致[14]．

為了證實(shí)該結(jié)的隧穿輸運(yùn)機(jī)制,我們測量了其低溫下的I-V曲線,如圖3所示．隨溫度的降低,正向偏壓下電流減小,正向?qū)妷涸龃螅聪蚱珘合码娏鞑顒e不大．這種低溫下的I-V曲線表現(xiàn)出來的特征與氧化物p-n異質(zhì)結(jié)中應(yīng)變誘導(dǎo)的隧道電流很相似[15]．X射線衍射分析表明STO薄膜處于壓應(yīng)變,這種應(yīng)變可能是其隧道電流輸運(yùn)機(jī)制的來源．

我們還測量了不同溫度下光照對p-n結(jié)I-V特性的影響,結(jié)果如圖4所示(圖中Dark表示無光照；Light表示光照.插圖為250 K時測得的光照與無光照下I-V曲線)．GaAs是一種光敏電阻材料,隨著溫度降低,其光電導(dǎo)增大[16]．因此STO/GaAs異質(zhì)結(jié)的整流特性可能會受光照影響．實(shí)驗(yàn)中采用功率為15 mW、波長為650 nm的紅光激光二極管照射樣品,發(fā)現(xiàn)室溫下光照與無光照的I-V曲線幾乎完全重合．而低溫下,隨著溫度降低,反向電壓下電流差減小．考慮到測量過程中降溫速度影響,電流的這種微小差異可忽略．實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明光照對該p-n結(jié)的整流性無影響．我們猜測這可能是由于STO薄膜厚度較大,阻礙了GaAs對光的吸收．

3 結(jié)論

我們采用脈沖激光沉積方法外延生長了缺氧的n-STO/p-GaAs異質(zhì)結(jié)．該結(jié)具有很好的整流特性,電輸運(yùn)機(jī)制為應(yīng)變導(dǎo)致的隧傳電流．其I-V特性曲線不受外界光照影響．

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