光電協(xié)同增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng)對(duì)LaAlO3/SrTiO3界面中持續(xù)光電導(dǎo)的調(diào)控*

刀流云 張子濤 肖煜同 張明昊 王帥 何珺賈金山 余樂(lè)軍 孫波 熊昌民?

1) (北京師范大學(xué)物理學(xué)系,北京 100875)

2) (北京師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100875)

(2018 年12 月14 日收到; 2019 年1 月20 日收到修改稿)

LaAlO3/SrTiO3 異質(zhì)結(jié)界面體系具有新奇的二維自由電子氣現(xiàn)象、暫態(tài)光電導(dǎo)效應(yīng)、持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)等豐富的光電性質(zhì),是近年來(lái)科學(xué)界研究的熱點(diǎn)之一. 本文研究了場(chǎng)效應(yīng)對(duì)LaAlO3/SrTiO3 界面光電導(dǎo)效應(yīng)的調(diào)控,發(fā)現(xiàn)光電協(xié)同增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng)可以使得LaAlO3/SrTiO3 界面產(chǎn)生顯著的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng),進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn): 在光電協(xié)同效應(yīng)的影響下,隨著負(fù)的背柵門電壓的增加,持續(xù)光電導(dǎo)的數(shù)值增大,在–70 V 附近達(dá)到極值;隨著負(fù)的背柵門電壓處理時(shí)間的增加,持續(xù)光電導(dǎo)的數(shù)值單調(diào)增加. LaAlO3/SrTiO3 異質(zhì)結(jié)中這種場(chǎng)增強(qiáng)的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)可為多參數(shù)可調(diào)的光電子記憶器件的研發(fā)提供參考依據(jù).

1 引 言

光電導(dǎo)效應(yīng)是材料電阻(或電導(dǎo))在光照影響下發(fā)生改變的一種現(xiàn)象. 持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)是光電導(dǎo)效應(yīng)的一種,具體指的是材料的電阻(或電導(dǎo))在去掉光照后不能恢復(fù)到光照前初始值的一種現(xiàn)象.利用光電導(dǎo)效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)變,尤其是利用持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)還能實(shí)現(xiàn)信息記憶功能. 因此基于光電導(dǎo)效應(yīng)可將材料開(kāi)發(fā)成各種光電導(dǎo)器件,在光電跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)、信息傳感與記錄等各領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景. 然而,隨著時(shí)代的發(fā)展,人們對(duì)各種電子器件的性能、功能、可調(diào)性等方面始終有著更高的需求. 在光電導(dǎo)器件的研究方面,目前的一個(gè)主要趨勢(shì)是尋找新型光電導(dǎo)材料或探究新的控制手段,以期提高或?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)可調(diào)的光電導(dǎo)效應(yīng).

近年來(lái),LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)異質(zhì)結(jié)界面因其具有獨(dú)特的二維自由電子氣性質(zhì)而受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注[1?10]. 此外,在LAO/STO 界面還發(fā)現(xiàn)了暫態(tài)光電導(dǎo)效應(yīng)、持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)以及暫態(tài)、持續(xù)共存的光電導(dǎo)效應(yīng)等豐富的光電性質(zhì)[11?17].這些性質(zhì)進(jìn)一步展現(xiàn)了LAO/STO 界面在光電子領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景. 因此,光電導(dǎo)效應(yīng)也是該LAO/STO 異質(zhì)結(jié)研究中的熱點(diǎn)之一. 然而,在LAO/STO 的光電導(dǎo)的調(diào)控研究中,目前常用的手段是化學(xué)摻雜(如氧空位或雜質(zhì)插層等),物理手段(如電場(chǎng)或應(yīng)力等)則較少被采用. 值得注意的是,Lei 等[18]在LAO/STO 界面中發(fā)現(xiàn)了光誘導(dǎo)增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng),即光電協(xié)同增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng). 這種光電協(xié)同效應(yīng)實(shí)質(zhì)上反映了LAO/STO 中的光激發(fā)與場(chǎng)效應(yīng)間有強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性. 但是,更進(jìn)一步地,是否能用場(chǎng)效應(yīng)手段(包括光電協(xié)同增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng))來(lái)調(diào)控該異質(zhì)結(jié)界面的光電導(dǎo)效應(yīng)呢？這一問(wèn)題目前仍缺乏研究. 基于此,本文研究了場(chǎng)效應(yīng)對(duì)LAO/STO 異質(zhì)結(jié)的光電導(dǎo)效應(yīng)的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)光電協(xié)同增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng)能顯著提高LAO/STO 界面中的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng). 這種場(chǎng)控增強(qiáng)的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng),在以往的文獻(xiàn)中未見(jiàn)報(bào)道,其在新型場(chǎng)調(diào)控的光電子記憶器件的研發(fā)方面具有潛在價(jià)值.

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文所用LAO/STO 異質(zhì)結(jié)樣品的結(jié)構(gòu)如圖1 所示. 其中LAO 薄膜為采用脈沖激光沉積方法制備的薄膜,STO(100)為該LAO 薄膜襯底.LAO 薄 膜 制 備 時(shí) 的 氧 分 壓 為3.3 × 10–5Torr(1 Torr =1.33322 × 102Pa),溫度為750 ℃. 通過(guò)設(shè)定制膜時(shí)間,LAO 薄膜厚度控制約為2 nm.X 射線衍射實(shí)驗(yàn)證明本文所制備的LAO 薄膜為外延生長(zhǎng),結(jié)晶質(zhì)量良好. 采用超聲壓焊方法在LAO 表面和STO 背面焊接了Al 電極. 超聲壓焊焊接的Al 電極穿透深度一般為微米級(jí). Al 電極與LAO/STO 異質(zhì)結(jié)界面的接觸電阻小于50 ? . 其中,LAO 薄膜中有Al 電極1,2,3,4 和5,襯底STO背面有Al 電極6. 實(shí)驗(yàn)采用背柵法以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)測(cè)量,即: 在3 和6 電極之間加?xùn)艍?其中3 電極接地,6 電極上加門電壓Vgate.

圖1 LAO/STO 測(cè)量接線示意圖Fig. 1. Sketch of the experimental setup of the LAO/STO device.

利用四點(diǎn)法測(cè)LAO/STO 異質(zhì)結(jié)電阻. 其中1 和5 電極間通電流,2 和4 電極間測(cè)電壓. 為測(cè)量LAO/STO 的光電導(dǎo)效應(yīng),選用波長(zhǎng)為405 nm的連續(xù)激光器作光源. 光照面積約為4 mm2,光照范圍在LAO 表面上的2 到4 電極之間.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 LAO/STO 的電學(xué)性質(zhì)表征與場(chǎng)效應(yīng)

首先測(cè)量了LAO/STO 異質(zhì)結(jié)界面電阻(R)隨溫度(T)的變化. 其結(jié)果如圖2 所示,R與T呈現(xiàn)正相關(guān),表明本文所制備得的異質(zhì)結(jié)界面具有良好的金屬導(dǎo)電性,這與文獻(xiàn)[1—10]報(bào)道的結(jié)果類似. 其導(dǎo)電性一般被認(rèn)為來(lái)源于LAO/STO 界面層中電子型載流子的躍遷.

圖2 LAO/STO 樣品的界面R-T特性曲線Fig. 2.R-Tcurve measured at LAO/STO interface.

然后,分別測(cè)量了該LAO/STO 異質(zhì)結(jié)界面電阻R在無(wú)光照和有光照影響下的場(chǎng)效應(yīng). 其中,場(chǎng)效應(yīng)中的門電壓通過(guò)背柵法施加(見(jiàn)圖1 中的接線示意圖). 測(cè)得的LAO/STO 界面電阻R與門電壓(Vgate)隨時(shí)間(t)的變化結(jié)果分別在圖3(a)與圖3(b)中給出. 圖3(a)中黑色線表示的為不施加光照時(shí)R隨t以及Vgate的變化. 初始時(shí)異質(zhì)結(jié)的電阻約為135 k ? . 從220 s 到430 s,施加負(fù)向柵壓100 V. 在此期間,界面電阻略有上升,在測(cè)試時(shí)間內(nèi)達(dá)到145 k ? ; 去掉柵壓,電阻恢復(fù)到初始態(tài).在600 s 后加上正向柵壓100 V,電阻略微降低,并穩(wěn)定在130 k ? 附近. 根據(jù)上述結(jié)果算得負(fù)向柵壓場(chǎng)效應(yīng)對(duì)LAO/STO 界面電阻的調(diào)控幅度在7.4%左右. 正向柵壓的調(diào)控則不明顯,調(diào)控幅度約小于4%.

再用功率為30 mW 的405 nm 連續(xù)激光照射樣品,研究了光照對(duì)場(chǎng)效應(yīng)的影響. 施加正負(fù)門電壓的順序與上述不施加光照時(shí)的情形相同,其結(jié)果如圖3(a)紅色線條所示. 開(kāi)始時(shí)門電壓為0 V,電阻趨于穩(wěn)定值119 k ? ; 220 s 處施加–100 V 的門電壓,電阻值迅速上升到388 k ? ,在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)電阻未達(dá)到穩(wěn)定態(tài); 去掉門電壓,電阻降低并恢復(fù)到初始的119 k ? 附近. 在600 s 時(shí)施加 + 100 V門電壓,電阻降低,并且趨于穩(wěn)定值111 k ? ; 去掉門電壓,電阻升高,并且恢復(fù)到119 k ? 附近. 根據(jù)上述結(jié)果,算得負(fù)向柵壓場(chǎng)效應(yīng)在有光照的情況下對(duì)界面電阻的調(diào)控幅度在226%左右. 正向柵壓的調(diào)控不明顯,約為6.7%. 從上述R的相對(duì)變化幅度比較可見(jiàn),光照能顯著增強(qiáng)LAO/STO 異質(zhì)結(jié)中的場(chǎng)效應(yīng),即呈現(xiàn)光電協(xié)同增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng),這與文獻(xiàn)[18]報(bào)道的結(jié)果類似.

圖3 LAO/STO 界面電阻R與門電壓Vgate 隨時(shí)間t的變化 (a)在不同光照下R隨t的變化; (b)Vgate 隨t的變化Fig. 3. Time dependence of resistanceRand gate voltage Vgate of LAO/STO: (a) Time dependence ofRunder different light illumination; (b) time dependence of gate voltage.

根據(jù)LAO/STO 中場(chǎng)效應(yīng)的光電協(xié)同機(jī)制[18],若在施加負(fù)門電壓的同時(shí)施加光照,光照將促進(jìn)STO 中氧空位往電極6 附近移動(dòng),使STO 界面的晶格發(fā)生膨脹并產(chǎn)生晶格畸變,破壞其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,從而在STO 的界面附近產(chǎn)生鐵電極化[18?20].STO 界面的鐵電極化會(huì)對(duì)LAO/STO 界面的載流子濃度有額外的調(diào)控作用,從而能提高其場(chǎng)效應(yīng)[18]. 顯然,這種光電協(xié)同增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng)與常規(guī)的場(chǎng)效應(yīng)有顯著的不同,因?yàn)楹笳咧皇峭ㄟ^(guò)電容效應(yīng)調(diào)控導(dǎo)電層的載流子濃度.

由于光照影響下的場(chǎng)效應(yīng)對(duì)LAO/STO 界面電阻的調(diào)控更為顯著,因此本文將主要研究這種光電協(xié)同增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng)對(duì)LAO/STO 異質(zhì)結(jié)界面的光電導(dǎo)效應(yīng)的影響.

3.2 LAO/STO 異質(zhì)結(jié)界面光電導(dǎo)效應(yīng)的場(chǎng)調(diào)控效應(yīng)

3.2.1 無(wú)門電壓影響時(shí),LAO/STO 異質(zhì)結(jié)界面的光電導(dǎo)效應(yīng)

首先研究了無(wú)門電壓影響下LAO/STO 的光電導(dǎo)效應(yīng). 為測(cè)量LAO/STO 異質(zhì)結(jié)的光電導(dǎo)效應(yīng),實(shí)驗(yàn)仍選用30 mW 的405 nm 連續(xù)激光照射異質(zhì)結(jié)的表面. 利用四電極法測(cè)量LAO/STO 異質(zhì)結(jié)界面電阻R隨時(shí)間t的變化,其結(jié)果如圖4所示.

圖4 光照對(duì)LAO/STO 界面電阻R的影響,圖中“on”和“off”分別代表光照的開(kāi)和關(guān)Fig. 4. Effect of light illumination on the LAO/STO resistance. “on” and “off” represent the switch on and off of the illumination,respectively.

從圖4 可見(jiàn),無(wú)光照時(shí),初始的電阻穩(wěn)定電阻約為129 k ? ,該電阻被定義為Ri. 在320 s 時(shí)開(kāi)始施加光照. 可看到,在光照開(kāi)啟的同時(shí)電阻迅速下降. 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后電阻達(dá)到穩(wěn)定值,約為119 k ? ,該電阻被定義為RL. 去掉光照后,電阻又快速上升,并將恢復(fù)到Ri. 該現(xiàn)象即為暫態(tài)正光電導(dǎo)效應(yīng).其光電導(dǎo)(photoconductivity,PC)數(shù)值定義為

據(jù)(1)式算得LAO/STO 的PC 數(shù)值約為7.7%. 隨后再多次施加光照,電阻在Ri和RL之間變化,說(shuō)明該異質(zhì)結(jié)的正光電導(dǎo)具有好的重復(fù)性. 一般認(rèn)為,LAO/STO 界面層中光生載流子的出現(xiàn)是導(dǎo)致其中產(chǎn)生正光電導(dǎo)效應(yīng)的原因[11?17].

3.2.2 負(fù)門電壓影響下LAO/STO 異質(zhì)結(jié)界面中的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)

考慮到LAO/STO 的光電協(xié)同增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng)主要發(fā)生在負(fù)的門電壓區(qū),因此在本節(jié)及下文,將著重探究負(fù)門電壓區(qū)的光電協(xié)同的場(chǎng)效應(yīng)對(duì)LAO/STO 界面光電導(dǎo)效應(yīng)的影響. 首先研究的是Vgate=–30 V 的門電壓與光照的協(xié)同效應(yīng)對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)的影響,其中照射光源與上節(jié)所述相同.

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下: 首先測(cè)量不施加門電壓和光照時(shí)LAO/STO 的界面電阻R隨時(shí)間t的變化,結(jié)果在圖5 中給出.R穩(wěn)定時(shí)的初始電阻值記為R0,約130 k ? ,為該異質(zhì)結(jié)的初始電阻. 然后,從500 s 開(kāi)始同時(shí)施加門電壓和光照,其中門電壓Vgate=–30 V. 從圖5 可見(jiàn),同時(shí)施加光照與柵壓后,LAO/STO 的界面電阻R上升顯著,約增加到145—160 k ? . 柵壓與光照的協(xié)同處理時(shí)間共150 s.在第650 s 去掉光照和門電壓,R緩慢下降,直到穩(wěn)定在一個(gè)新的電阻值Rn附近,Rn約為137 k ? .可見(jiàn)Rn大于R0,這說(shuō)明LAO/STO 界面進(jìn)入了一個(gè)高于初始電阻R0的新的電阻態(tài),即Rn電阻態(tài). 然后,再用相同的光源第二次照射該異質(zhì)結(jié),進(jìn)一步研究該新電阻態(tài)Rn的光電導(dǎo)效應(yīng). 發(fā)現(xiàn)激光照射后,LAO/STO 界面電阻從Rn處迅速減小到RL附近(見(jiàn)圖5 中830—1460 s 區(qū)間的電阻變化),表現(xiàn)出正的光電導(dǎo)效應(yīng). 值得注意的是,此時(shí)再去掉光照,LAO/STO 的界面電阻不能恢復(fù)到電阻態(tài)Rn附近,而只是恢復(fù)到130 k ? 附近,該電阻與R0相當(dāng),然而明顯小于Rn. 為清楚起見(jiàn),圖5中的內(nèi)插圖給出了光照前后Rn與R0的對(duì)比. 該實(shí)驗(yàn)實(shí)際上表明在LAO/STO 界面出現(xiàn)新的電阻態(tài)Rn后,光照使得該異質(zhì)結(jié)出現(xiàn)了明顯的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng),即光照后的電阻與光照前的電阻不相等.

圖5 LAO/STO 界面R隨t的變化,其中測(cè)量期間,門電壓或光照來(lái)回“開(kāi)”和“關(guān)”; 圖中,“L”代表加光照,“U”代表加電壓; “on”和“off”分別代表門電壓或光照的開(kāi)和關(guān);內(nèi)插圖為830—1460 s 區(qū)間的放大圖Fig. 5.Rof the LAO/STO interface as a function of response time while the gate voltage (marked by “U”) and light illumination (marked by “L”) is switched on and off.Inset is a close view of theR-time curve between 830 s and 1460 s.

定義持續(xù)光電導(dǎo)(persistent photoconductivity,PPC)的數(shù)值為

由(2)式可得到–30 V 柵壓處理后PPC 約為5.1%.

此外,根據(jù)(1)式,還計(jì)算了LAO/STO 界面經(jīng)上述場(chǎng)效應(yīng)處理后的正光電導(dǎo)的數(shù)值(利用R0代替公式中的Ri),約為7.2%,與場(chǎng)效應(yīng)處理前的數(shù)值基本相當(dāng). 這說(shuō)明場(chǎng)效應(yīng)對(duì)LAO/STO 的正光電導(dǎo)效應(yīng)的影響不明顯.

顯然,經(jīng)過(guò)上述光電協(xié)同的場(chǎng)效應(yīng)處理后,LAO/STO 界面所產(chǎn)生的顯著的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)是本文最重要的發(fā)現(xiàn). 基于上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程,可得到LAO/STO 界面出現(xiàn)持續(xù)光電導(dǎo)的原因應(yīng)是與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中負(fù)的門電壓及光照的共同處理有關(guān). 再根據(jù)LAO/STO 的場(chǎng)效應(yīng)結(jié)果及其中的光電協(xié)同機(jī)制[18],在同時(shí)施加負(fù)的門電壓與光照時(shí),LAO/STO界面中的氧空位將往STO 的電極6 一側(cè)擴(kuò)散,并且界面層中的載流子濃度將降低. 若同時(shí)去掉光照和門電壓,雖然有部分氧空位擴(kuò)散回到LAO/STO的界面一側(cè),但是仍可能有部分氧空位及束縛的載流子留在STO 中. 因此LAO/STO 界面電阻仍將穩(wěn)定在一個(gè)較高的電阻態(tài)(Rn)上. 再施加第二次光照,氧空位束縛的載流子被激發(fā)到導(dǎo)帶上. 在LAO/STO 界面能帶彎曲的影響下,這些光生載流子能快速擴(kuò)散到界面的溝道層當(dāng)中. 同時(shí),處于電離態(tài)的氧空位也因其在STO 晶格中的束縛能降低而更容易擴(kuò)散回界面層[18]. 因此,在第二次光照后,LAO/STO 的界面層電阻也將容易從電阻態(tài)Rn恢復(fù)到原有的電阻態(tài)R0附近,從而導(dǎo)致光照前后的電阻不相等,產(chǎn)生持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng).

需要特別指出的是,在圖3 的場(chǎng)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,我們未觀察到新的電阻態(tài)Rn. 其原因正是因?yàn)樵趫D3 的實(shí)驗(yàn)過(guò)程一直有光照影響. 因此,在去掉門電壓后,該異質(zhì)結(jié)的界面電阻在光照的影響下容易恢復(fù)到加門電壓前的狀態(tài).

3.2.3 負(fù)的門電壓大小對(duì)LAO/STO 界面持續(xù)光電導(dǎo)的調(diào)控

在本節(jié)中,進(jìn)一步探究負(fù)向柵壓大小對(duì)LAO/STO 界面的持續(xù)光電導(dǎo)的調(diào)控. 實(shí)驗(yàn)中的光照條件與上一節(jié)相同,其中柵壓與光照的協(xié)同處理時(shí)間仍為150 s,所得的幾種典型的R-t測(cè)量結(jié)果在圖6中給出.

圖6 LAO/STO 界面R分別經(jīng)不同柵壓處理后的隨t變化,其中測(cè)量期間,門電壓或光照來(lái)回“開(kāi)”和“關(guān)” (圖中,“L”代表加光照,“U”代表加電壓; “on”和“off”分別代表門電壓或光照的開(kāi)和關(guān)) (a) –40 V; (b) –60 V; (c) –70 V; (d) –80 VFig. 6. Time dependences ofRof the LAO/STO interface after the processing of various gate voltages while the gate voltages(marked by “U”) and light illumination (marked by “L”) are switched on and off: (a) –40 V; (b) –60 V; (c) –70 V; (d) –80 V.

從圖6 可見(jiàn),經(jīng)過(guò)不同的柵壓處理后,LAO/STO 的界面電阻都進(jìn)入一個(gè)高于初始值R0的穩(wěn)定中間電阻態(tài)Rn. 再次施加光照影響后,界面電阻都能從Rn恢復(fù)到初始電阻R0附近.Rn與R0的差別反映了持續(xù)光電導(dǎo)的大小. 由于經(jīng)不同柵壓及光照處理后的R0基本不變,因此PPC 隨Vgate的變化主要由Rn-Vgate關(guān)系決定. 根據(jù)上述電阻測(cè)量,可定出Rn隨Vgate的變化,結(jié)果在圖7 內(nèi)插圖中示出. 相應(yīng)地,根據(jù)(2)式計(jì)算得的PPC 值也在圖7 中示出. 從圖7 可見(jiàn),Rn隨負(fù)柵壓的增大而增大,并在Vgate=–70 V 時(shí)達(dá)到最大值. 同時(shí),PPC也隨–Vgate的增加而增加,在Vgate=–70 V 時(shí)達(dá)極大值,約為17%. 此后,Rn和PPC 都隨門電壓的增加而減小.

根據(jù)LAO/STO 在光照下的場(chǎng)效應(yīng)結(jié)果可知PPC 和Rn隨門電壓增加的原因?yàn)? 當(dāng)負(fù)的門電壓越大時(shí),LAO/STO 界面層中的氧空位和載流子往STO 的電極6 一側(cè)遷移越多,LAO/STO 的界面電阻增加也越大. 去掉光照和門電壓后,界面電阻Rn一般也應(yīng)保持越大. 相應(yīng)地,PPC 值也增大.然而,Rn以及PPC 在–70 V 處出現(xiàn)極值后下降的機(jī)制尚不明確,這有待進(jìn)一步研究.

3.2.4 光電協(xié)同處理時(shí)間對(duì)LAO/STO 界面持續(xù)光電導(dǎo)的調(diào)控

本文進(jìn)一步研究門電壓與光照的協(xié)同處理時(shí)間(td)對(duì)光電導(dǎo)的影響. 光電協(xié)同處理和測(cè)量過(guò)程與上一節(jié)類似,仍選擇照射光為30 mW 的405 nm激光,選擇的門電壓Vgate=–50 V. 改變?cè)撻T電壓與光照的協(xié)同處理時(shí)間td,分別測(cè)得經(jīng)光電協(xié)同處理后的界面電阻Rn及其光照后的電阻. 研究發(fā)現(xiàn):經(jīng)第二次光照后電阻都能從Rn恢復(fù)到R0,并且R0基本不變; 而Rn隨td的增加而增加,結(jié)果如圖8 中內(nèi)插圖所示. 根據(jù)(2)式計(jì)算得的PPC值隨td的變化結(jié)果如圖8 所示.

圖7 PPC 值隨Vgate 的變化,其中內(nèi)插圖為Rn 隨Vgate 的變化Fig. 7. Relationship between the PPC value and gate voltage (Vgate). Inset is the dependence ofRn onVgate.

圖8 門 電 壓 的 處 理 時(shí) 間td 對(duì)PPC 值 的 影 響 關(guān) 系,插 圖為Rn 隨td 的變化關(guān)系Fig. 8. The PPC value as a function of gating timetd. Inset is the dependence ofRn ontd.

從圖8 可以看出,門電壓和光照的協(xié)同處理時(shí)間越長(zhǎng),LAO/STO 異質(zhì)結(jié)的PPC 數(shù)值越大: 其大小從td為80 s 的14.5%增加到td為180 s 的17.5%. 這是由于隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),氧空位在STO 一側(cè)的電極6 處堆積也增多,界面的載流子濃度也降低更多,從而使Rn增大,因此根據(jù)(2)式算得的PPC 增大.

另外,需要特別指出的是,還研究了正的門電壓與光照的協(xié)同效應(yīng)對(duì)LAO/STO 的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)的調(diào)控,結(jié)果是未發(fā)現(xiàn)LAO/STO 在正的門電壓影響下能出現(xiàn)明顯的PPC 效應(yīng). 其原因可能是正的門電壓對(duì)LAO/STO 界面電阻態(tài)本身就調(diào)控不明顯. 此外,還探究了無(wú)光照影響的場(chǎng)效應(yīng)即常規(guī)場(chǎng)效應(yīng),對(duì)LAO/STO 光電導(dǎo)效應(yīng)的調(diào)控,結(jié)果也是未發(fā)現(xiàn)這種場(chǎng)效應(yīng)對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)有明顯影響. 這是因?yàn)槌Ｒ?guī)的場(chǎng)效應(yīng)與光電協(xié)同增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng)對(duì)LAO/STO 界面電阻的影響機(jī)制有顯著區(qū)別.這也從另外一個(gè)角度說(shuō)明本文所發(fā)現(xiàn)的PPC 效應(yīng)與光電協(xié)同效應(yīng)對(duì)LAO/STO 界面的獨(dú)特作用機(jī)制有關(guān).

4 結(jié) 論

本文研究了LAO/STO 界面的光電導(dǎo)效應(yīng)的場(chǎng)調(diào)控,發(fā)現(xiàn)通過(guò)光電協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng)(在一定的背柵門電壓和光照的協(xié)同處理下)可以顯著地增強(qiáng)LAO/STO 異質(zhì)結(jié)界面的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng).LAO/STO 的這種電場(chǎng)控制的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)與該異質(zhì)結(jié)中光電協(xié)同機(jī)制影響下的氧空位遷移有關(guān). 基于LAO/STO 界面中的這種光電輸運(yùn)性質(zhì),可將LAO/STO 開(kāi)發(fā)成一種由電場(chǎng)控制的光電子記憶器件或光探測(cè)器件,具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.