BiFeO3鐵電半導(dǎo)體外延異質(zhì)結(jié)的制備及其電輸運特性研究.pdf

1、BiFeO3薄膜由于其在室溫下所表現(xiàn)出來的典型的多鐵性和光學(xué)特性受到了人們廣泛的關(guān)注，特別是將BFO與半導(dǎo)體相結(jié)合所制備的異質(zhì)結(jié)體系，其在外加電壓的作用下發(fā)生高阻態(tài)同低阻態(tài)相互轉(zhuǎn)變的阻變現(xiàn)象，展現(xiàn)了其在雙穩(wěn)態(tài)器件領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。在實際的制備中，人們一般選擇在Si，GaAs，GaN等典型半導(dǎo)體上直接生長 BFO薄膜。在這些半導(dǎo)體之中，GaAs材料由于其自身的直接能帶結(jié)構(gòu)以及高的飽和電子遷移率在III-V族半導(dǎo)體中扮演著重要的角色。如果

2、能夠?qū)FO薄膜和GaAs集成形成 BFO/GaAs異質(zhì)結(jié)體系，不但可以在單片器件上實現(xiàn)介電材料和半導(dǎo)體材料的功能集成，而且可以應(yīng)用 BFO和 GaAs半導(dǎo)體在界面處的效應(yīng)研發(fā)出一些新型器件。在之前的研究中，研究人員成功的在GaAs上外延生長了BFO薄膜，但是并沒有對異質(zhì)結(jié)體系的電學(xué)輸運特性進行完全的研究。由于異質(zhì)結(jié)體系的電學(xué)特性對于其相關(guān)應(yīng)用有著極大的影響。因此對于其載流子的輸運特性研究就顯得尤為重要了。在本文中，我們主要研究 BFO

3、/NSTO/GaAs異質(zhì)結(jié)的電學(xué)輸運特性。
　　1．利用 PLD方法在 p型砷化鎵基底上以鈦酸鍶鈮作為緩沖層外延生長了BFO薄膜并表征了其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特性。利用X射線衍射分析了樣品的晶體結(jié)構(gòu)，測試結(jié)果說明了所制備的異質(zhì)結(jié)具有單一(00l)取向。同時利用截面形貌圖展示了BFO薄膜在NSTO緩沖層上生長狀態(tài)，從結(jié)果中可以看到兩者之間具有清晰的界面。最后我們利用 PFM的幅度和相位信號分析了樣品的表面特性。在 PFM的測量中我們可以清晰的

4、觀察到異質(zhì)結(jié)的疇壁結(jié)構(gòu)，其表明了BFO薄膜在垂直方向上具有良好的極化狀態(tài)。
　　2．對比了不同薄膜厚度以及不同緩沖層對于異質(zhì)結(jié)體系的性能影響。實驗發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)薄膜厚度越厚，其介電性能越弱，當(dāng)薄膜厚度由240nm依次遞增為300nm以及360nm時，其介電常數(shù)分別為340，280和200。同時對于緩沖層的厚度有一定的約束范圍，在本文中當(dāng)緩沖層NSTO厚度增大為100nm時，異質(zhì)結(jié)性能會急劇降低。
　　3．分析了異質(zhì)結(jié)體系的電學(xué)特

5、性。對于實驗中觀察到的類二極管電學(xué)特性以及阻變特性進行了理論分析，其最大整流比約為200。建立了異質(zhì)結(jié)的理想能帶結(jié)構(gòu)圖，實際上異質(zhì)結(jié)體系形成了背靠背的二極管能帶結(jié)構(gòu)，即p-n-p接觸。根據(jù)能帶相應(yīng)參數(shù)計算出BFO和NSTO兩者之間的導(dǎo)帶勢壘和價帶勢壘分別為0.7eV和1.1eV。利用相同的分析方法，NSTO和GaAs之間的導(dǎo)帶與價帶勢壘分別為0.1eV和1.68eV。根據(jù)尼曼在其半導(dǎo)體器件的著作中敘述的理論，在異質(zhì)結(jié)體系的能帶結(jié)構(gòu)中，在

6、同一接觸界面時，每當(dāng)空穴勢壘高度比電子勢壘高度高0.2eV的時候，空穴電流將會比電子電流小104倍，從而確立了異質(zhì)結(jié)體系的主導(dǎo)載流子并解釋了整流特性的產(chǎn)生。對于異質(zhì)結(jié)在測量過程中的阻變現(xiàn)象產(chǎn)生，根據(jù)本文中異質(zhì)結(jié)的體系結(jié)構(gòu)同時結(jié)合了以往在 STO/GaAs和其他的氧化物/GaAs體系內(nèi)的研究結(jié)果。認為 BFO/NSTO/GaAs異質(zhì)結(jié)體系的阻變特性是由于鐵電極化可以影響改變BFO/NSTO界面處的耗盡區(qū)寬度，而這種耗盡區(qū)寬度的變化影響了勢