应变SrTiO3/GaAs 异质结的整流特性研究

杨万里, 陈晓伟, 高玉婷, 李 杨, 王 严, 翟章印

(1.淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院, 江苏 淮安 223300)

0 引言

近年来,钙钛矿结构氧化物引起广泛关注．介电、铁电、铁磁、高温超导等多种功能氧化物材料都具有钙钛矿或类钙钛矿结构[1-3]．这种结构可以用ABO3来表示,A位为稀土元素,阳离子呈12配位结构,位于八面体空隙位置．B位为过渡元素,阳离子与六个氧离子构成八面体配位．钛酸锶(SrTiO3,STO)是钙钛矿结构氧化物中的一个典型代表,它的晶格参数为0.3905 nm,与大多数功能氧化物匹配良好,所以经常被用作各种功能氧化物材料的衬底[4]．STO本身也有很高的研究价值．最近,人们在其异质结中发现一系列奇异性质,如室温铁电性、压电效应、超导性、二维电子气等[3,5-8]．

目前,半导体集成技术日趋成熟．随薄膜制备技术的提高,功能氧化物材料与半导体的集成成为可能．在不同取向的硅基片上外延生长STO已经实现[9]．砷化镓(GaAs)是第二代半导体中的代表,具有直接带隙,闪锌矿结构,晶格常数为0.565 nm．其电子迁移率比硅大5～6倍,在微波器件和高速数字电路方面有重要应用．它还可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用于光电导开关、集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等．因此,在砷化镓基片上外延生长钙钛矿结构氧化物具有很高的研究和应用价值．

无掺杂的STO是一种绝缘体材料,带隙为3.2 eV．阳离子掺杂或缺氧情况下能变为N型半导体[10]．在P型GaAs基片上生长缺氧的STO可能实现p-n异质结[11]．而且,STO/GaAs异质结也可作为其他功能氧化物材料的赝衬底[12,13]．

本文中采用脉冲激光沉积(PLD)在P型GaAs基片上外延生长了缺氧的STO薄膜,形成STO/GaAs p-n异质结,研究了其室温和低温下的整流特性和光照对其整流特性的影响．

1 实验过程

采用脉冲激光沉积方法在Zn掺杂的GaAs单晶基片上外延生长STO薄膜．靶材为STO单晶,使用波长为248 nm的KrF准分子激光器,功率为400毫焦/脉冲,频率2 Hz,靶材与基片距离5cm,腔体背底真空1.0×10-4mBar．生长温度580℃．在背底真空下镀膜以实现STO薄膜的缺氧,从而形成半导体导电性．镀膜后自然冷却至室温．薄膜厚度采用Dektax3ST台阶仪测量,膜厚约为200 nm．结构测试使用西门子D5000高分辨X射线衍射仪．电输运测量采用物理性能测试系统．

2 结果与讨论

图1 STO/GaAs异质结的X射线衍射图

图2为STO/GaAs异质结室温下的I-V特性曲线(图中空心方块为实测数据，实线为拟合数据)．该曲线具有与传统半导体相同的整流特性,即正向超过导通电压后电流迅速增大,反向不导通．说明STO/GaAs异质结之间形成了p-n结．该结的正向导通电压约为0.8 V．半导体p-n结的电流-电压关系一般可以采用公式I∝exp(qV/ηkT)拟合,其中I为电流,V为电压,q为电子电荷量,k为波尔兹曼常数,T为绝对温度,η为理想因子．我们拟合算得该p-n结的理想因子为41.6,远大于常规半导体p-n结的理想因子．理想p-n结的理想因子为1．考虑掺杂效应,常规的半导体的理想因子在1～2之间．因此,我们认为该结具有不同于常规半导体p-n结的输运机制．流过常规半导体p-n结的总电流为扩散电流与复合电流之和．而该结中的电流的输运可能为隧穿电流．因为隧道结的理想因子通常较大,例如STO/Si结的理想因子为42,与该结几乎一致[14]．

为了证实该结的隧穿输运机制,我们测量了其低温下的I-V曲线,如图3所示．随温度的降低,正向偏压下电流减小,正向导通电压增大．而反向偏压下电流差别不大．这种低温下的I-V曲线表现出来的特征与氧化物p-n异质结中应变诱导的隧道电流很相似[15]．X射线衍射分析表明STO薄膜处于压应变,这种应变可能是其隧道电流输运机制的来源．

我们还测量了不同温度下光照对p-n结I-V特性的影响,结果如图4所示(图中Dark表示无光照；Light表示光照.插图为250 K时测得的光照与无光照下I-V曲线)．GaAs是一种光敏电阻材料,随着温度降低,其光电导增大[16]．因此STO/GaAs异质结的整流特性可能会受光照影响．实验中采用功率为15 mW、波长为650 nm的红光激光二极管照射样品,发现室温下光照与无光照的I-V曲线几乎完全重合．而低温下,随着温度降低,反向电压下电流差减小．考虑到测量过程中降温速度影响,电流的这种微小差异可忽略．实验结果证明光照对该p-n结的整流性无影响．我们猜测这可能是由于STO薄膜厚度较大,阻碍了GaAs对光的吸收．

3 结论

我们采用脉冲激光沉积方法外延生长了缺氧的n-STO/p-GaAs异质结．该结具有很好的整流特性,电输运机制为应变导致的隧传电流．其I-V特性曲线不受外界光照影响．

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