LCMO巨磁阻材料定向诱导生长和结构特性分析——以及LCMO场效应晶体管的制备

摘要

自1950年，Jonker Van和Santen等最先报道。LalV[n03中La被Ca、Sr、Ba部分替代后出现铁磁性，1989年Wolla和Koehler等人在该体系薄膜中发现了巨磁电阻效应。巨大的磁电阻效应使锰氧化物在磁记录，磁探测及传感器方面均具有巨大的潜在应用价值，激发了人们的研究热情。通过研究人们发现，在钙钛矿型锰氧化物中的各种作用以及这些作用之间的相互竞争导致了复杂的电磁特性、结构相图以及各种有趣的物理现象。所有的这些特性和现象都涉及到凝聚态物理学的基本问题。 金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFETs)是微处理器、半导体存储器等超大规模集成电路中的核心器件和主流器件，MOSFETs的性能优化极大地推动了微电子器件的发展。目前，人们对微电子器件功能的要求已远远超出只用它们来实现逻辑运算和承担基本的电子元件任务，而是希望能够找到新的功能材料并结合传统的半导体工艺制备出新型的场效应晶体管，以便同时满足复杂场合的各种需求。因此，至今为止，人们已经开发出了各种沟道材料和各种结构的场效应晶体管。成品巨磁阻场效应晶体管(CMR MOSFETs)目前尚未见市场化。随着人们对巨磁阻材料的研究深入，我们认为将巨磁阻做为MOSFETs中的沟道材料，制备出可以同时被电场和磁场调制的器件是完全可行的。因此本研究的第一任务是选取了钙钛矿型锰氧化物巨磁电阻材料做为MOSFETs的沟道材料，锆钛酸铅(PZT)做为绝缘栅材料，镧锶钴氧(LSCO)做为导电栅材料设计了合理的CMR场效应晶体管的结构及其参数。为了尽量减少工艺过程给PZT和LSCO可能造成的破坏，我们将CMR场效应晶体管设计成为背栅结构，这种做法的好处是，①光刻步骤少，只需两步光刻即可完成。②完全避免了光刻LCMo薄膜时，光刻胶腐蚀剂对．PZT和LSCO的腐蚀。 由于巨磁阻薄膜自身的微结构和巨磁阻场效应晶体管的结构对是否能成功制备CMR．场效应晶体管以及保证晶体管具有良好的性能是至关重要的。所以本研究的第二大任务就是对LCMO巨磁阻薄膜的定向生长、结构特性分析以及结构与特性间的关系进行了较为详细的研究。本文中我们采用了三种方法制备了系列La<,l-x>Ca<,x>MnO<,3>(LCMO)(x=0、0.2、0.8)巨磁阻薄膜和粉末样品：早期传统的固相粉末烧结法、激光脉冲沉积法(PLD)和较新的且常用的溶胶一凝胶法(sol-gel)。①其中为了研究Si片上取向的LCMO薄膜的微结构，我们用La、Ca、Mn的盐溶液作为原料，采用工艺简便、涂膜方便、容易控制化学组份、易于大面积成膜的溶胶一凝胶法合成了LCMO的前体溶液。使用旋涂法将其成膜于si(100)基片之上。而后在不同的温度下进行晶化、退火，得到了一系列的LCMO薄膜样品；②CMRMOSFETs中LCMO沟道材料、绝缘栅材料、导电栅材料采用的是Laser Ablation的方法。利用原子力显微镜、光学显微镜以及XRD对系列样品进行了结构特性分析，找到了好的材料的制备方法和工艺条件。 本研究的第三项任务是：结合半导体集成电路工艺原理和巨磁阻薄膜结构特性分析的结果设计了巨磁阻场效应晶体管的工艺路线，成功的制备出可以进行磁场调制、电场调制的巨磁阻场效应晶体管。研究了该晶体管在不同温度、不同频率下的磁阻特性和电场调制下的电阻一温度特性，以及在不同温度、不同频率下的电容特性。同时研究了该晶体管中巨磁阻薄膜的载流子浓度，结果表明巨磁阻薄膜中的载流子浓度受到电场调制，但几乎与温度无关。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1锰氧化物的发展

1.2物理内涵及应用背景

1.3科研现状以及本文所做的工作

第二章特性测量的实验原理

2.1实验装置及原理

2.2场效应晶体管(MOSFETs)

第三章样品的制备和测量

3.1引言

3.2 LCMO薄膜的制备

3.3样品的特性测量和表征

第四章结果与讨论

4.1引言

4.2结构特性分析

4.3 LCMO—FETs器件的设计与制备

4.4薄膜的电容

4.5 LCMO中的载流子浓度

第五章结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢