LaBaMnO3 薄膜/Si 异质结的整流特征

郝兰众 刘云杰

（中国石油大学〈华东〉理学院 山东 青岛 266555）

0 前言

自从高温超导和巨磁阻现象发现以来，具有钙钛矿结构的镧系氧化物薄膜材料，如LaCaMnO3、LaSrMnO3及LaBaMnO3（LBMO）等，受到了光泛的研究[1-3]。 考虑到其良好的磁学、光学及电学等性质，若把镧系氧化物薄膜与其它氧化物材料集成在一起，不仅可研制具有光、磁、电等各种功能一体化的多功能器件，还很有可能会出现一些新奇的现象和效应，如优良的整流性质等[4,5]。 从实际应用出发，将镧系钙钛矿结构氧化物薄膜与半导体材料叠加在一起更具有实际应用价值，特别是该类薄膜材料与硅（Si）半导体的集成。 这将有利于实现功能器件与大规模集成电路的集成和一体化。

本文中，我们利用直流磁控溅射的方法，成功在n-Si 半导体衬底上制备LaBaMnO3（LBMO）薄膜，从而形成新型p-n结。 通过性能测量，本文对所制备p-n 结的电流-电压（I-V）性质特征进行研究。

1 实验

利用直流磁控溅射方法， 在n-Si 半导体衬底表面沉积LBMO 薄膜。实验中所使用的Si 衬底的电阻率为2-5Ωcm。在沉积薄膜之前，首先将Si 衬底在去离子水、酒精和丙酮中反复多次清洗。 然后，将清洗后的Si 衬底在氢氟酸溶液（3%）中浸泡3 分钟，以去除Si 表面的非晶氧化物层。 利用高纯氮气吹干以后，迅速将Si 衬底移入真空腔。薄膜制备过程中，真空腔中气压为6Pa，其中氧气与氩气的流量比为1：2。 基片温度保持500℃不变。LBMO 薄膜的厚度约为80nm。沉积完成后，在纯氧条件下将LBMO 薄膜进行原位高温退火处理。 退火温度为700℃，氧气压为0.5 大气压，退火时间为30 分钟。

利用X 射线衍射（XRD）技术对LBMO/Si 异质结构的微观结构进行分析。 通过电流-电压 （I-V） 曲线测量， 研究LBMO/Si p-n 结的电学性质特征。

2 结果与讨论

图1 为LBMO/Si 异质结构的XRD θ-2θ 扫描图谱。 从图中可以看出，除了Si 半导体衬底的（200）和（400）衍射峰外，仅有LBMO 薄膜的钙钛矿结构衍射峰。LBMO（100）、（200）和（211）多个衍射峰的出现，表明所制备的LBMO 薄膜为多晶结构。 对比各个衍射峰的强度，从图中可以看出LBMO（211）晶向为择优晶向。

图1 LBMO/Si 异质结构的X 射线衍射分析图谱

图2 不同测试温度条件下，LBMO/Si p-n 结的I-V 曲线。 插图为I-V 性质测量结构示意图

图2 为不同测试温度条件下，LBMO/Si p-n 结的I-V 曲线。插图为I-V 性质测量结构示意图。从图中可以看出，在整个测量温度范围内（180-300K），所制备的LBMO/Si p-n 结均表现出明显的整流特征，即正向导通、反向截止。 该特征与常规的半导体p-n 结类似。 根据测试结果，可以计算得到LBMO/Si p-n 结的整流比（I+V/I-V）。当测试温度为300K 和外加电压为5 V 时，该p-n 结的整流比（I+10V/I-5V）超过102数量级。

上述LBMO/Si p-n 结中的整流性质可利用半导体能带理论进行解释。 由于费米能级不同， 当在n-Si 基片上沉积LBMO 薄膜后，电子将从费米能级高的n-Si 流向费米能级低的p-LBMO。 因而，n-Si 的费米能级不断下移，而p-LBMO 的费米能级不断上移，直至二者的费米能级相等为止。 此时，pn 结具有统一的费米能级，处于平衡状态。能带相对移动的原因是p-n 结空间电荷区中存在内建电场的结果。 随着从n-Si指向p-LBMO 的内建电场的不断增强，空间电荷区内的电势由n-Si 到p-LBMO 不断降低，而电子的电势能则不断增加。所以，LBMO 薄膜的能带相对n-Si 的上移，而n-Si 的能带相对LBMO 薄膜的下移，直至费米能级处处相等，能带才停止相对移动，p-n 结达到平衡状态。 平衡p-n 结中，存在着一定宽度和势垒高度的势垒，其中相应的出现内建电场，电子的扩散电流和漂移电流互相抵消，没有净电流通过p-n 结。 在外加反向偏压作用时，反向偏压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致，势垒区的电场增强，势垒区变宽，势垒高度增加。 因此，随着反向电压的增加，反向电流趋于饱和。 在外加正向电场的作用下， 正向电场与势垒区的内建电场方向相反，因而减弱了势垒区的电场强度。 同时，势垒区的宽度减小，势垒高度也降低。 随着正向电场的增加，势垒高度逐渐减小。 当外加电场达到某一阈值电压时，大量电子将跃过势垒，参与p-n 结的导电，使p-n 结中的电流迅速增加，从而使p-n结处于导通状态。

3 结论

利用直流磁控溅射溅射的方法，在n-Si（100）基片表面沉积LBMO 薄膜，从而形成p-LBMO/n-Si p-n 结。 XRD 分析结果表明：所制备的LBMO 薄膜为多晶钙钛矿结构，其晶格结构具有（211）择优取向。I-V 性质测量结果显示：LBMO/Si p-n结具有明显的整流特征，即正向导通、反向截止。 因此，该类p-n 结在新型半导体电子器件中具有巨大潜在应用。

［1］张福恒，王凌飞，黄振，吴文彬.La0.67Ca0.33MnO3/NdGaO3（001）薄膜中外延应变诱导的各向异性磁阻效应[J].低温物理学报,2011,33（03）:166-169.

［2］李国民，王凌飞，黄振，吴文彬.La0.67Ca0.33MnO3薄膜中中的各向异性应变与电荷有序[J].低温物理学报,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］刘新军，李效民，王群，杨蕊，曹逊，陈立东.Ti/La0.7Ca0.3MnO3/Pt 结构器件中负电阻开关特性研究[J].无机材料学报，2010，25（2）:151-156.

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