BiFeO3鐵電半導體外延異質結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出來的典型的多鐵性和光學特性受到了人們廣泛的關注，特別是將BFO與半導體相結合所制備的異質結體系，其在外加電壓的作用下發生高阻態同低阻態相互轉變的阻變現象，展現了其在雙穩態器件領域廣闊的應用前景。在實際的制備中，人們一般選擇在Si，GaAs，GaN等典型半導體上直接生長 BFO薄膜。在這些半導體之中，GaAs材料由于其自身的直接能帶結構以及高的飽和電子遷移率在III-V族半導體中扮演著重要的角色。如果

2、能夠將BFO薄膜和GaAs集成形成 BFO/GaAs異質結體系，不但可以在單片器件上實現介電材料和半導體材料的功能集成，而且可以應用 BFO和 GaAs半導體在界面處的效應研發出一些新型器件。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，但是并沒有對異質結體系的電學輸運特性進行完全的研究。由于異質結體系的電學特性對于其相關應用有著極大的影響。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異質結的電學輸運特性。
　　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的結構特性。利用X射線衍射分析了樣品的晶體結構，測試結果說明了所制備的異質結具有單一(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，從結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、觀察到異質結的疇壁結構，其表明了BFO薄膜在垂直方向上具有良好的極化狀態。
　　2．對比了不同薄膜厚度以及不同緩沖層對于異質結體系的性能影響。實驗發現異質結薄膜厚度越厚，其介電性能越弱，當薄膜厚度由240nm依次遞增為300nm以及360nm時，其介電常數分別為340，280和200。同時對于緩沖層的厚度有一定的約束范圍，在本文中當緩沖層NSTO厚度增大為100nm時，異質結性能會急劇降低。
　　3．分析了異質結體系的電學特

5、性。對于實驗中觀察到的類二極管電學特性以及阻變特性進行了理論分析，其最大整流比約為200。建立了異質結的理想能帶結構圖，實際上異質結體系形成了背靠背的二極管能帶結構，即p-n-p接觸。根據能帶相應參數計算出BFO和NSTO兩者之間的導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之間的導帶與價帶勢壘分別為0.1eV和1.68eV。根據尼曼在其半導體器件的著作中敘述的理論，在異質結體系的能帶結構中，在

6、同一接觸界面時，每當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，從而確立了異質結體系的主導載流子并解釋了整流特性的產生。對于異質結在測量過程中的阻變現象產生，根據本文中異質結的體系結構同時結合了以往在 STO/GaAs和其他的氧化物/GaAs體系內的研究結果。認為 BFO/NSTO/GaAs異質結體系的阻變特性是由于鐵電極化可以影響改變BFO/NSTO界面處的耗盡區寬度，而這種耗盡區寬度的變化影響了勢