BiFeO3铁电半导体外延异质结的制备及其电输运特性研究

摘要

BiFeO3薄膜由于其在室温下所表现出来的典型的多铁性和光学特性受到了人们广泛的关注，特别是将BFO与半导体相结合所制备的异质结体系，其在外加电压的作用下发生高阻态同低阻态相互转变的阻变现象，展现了其在双稳态器件领域广阔的应用前景。在实际的制备中，人们一般选择在Si，GaAs，GaN等典型半导体上直接生长 BFO薄膜。在这些半导体之中，GaAs材料由于其自身的直接能带结构以及高的饱和电子迁移率在III-V族半导体中扮演着重要的角色。如果能够将BFO薄膜和GaAs集成形成 BFO/GaAs异质结体系，不但可以在单片器件上实现介电材料和半导体材料的功能集成，而且可以应用 BFO和 GaAs半导体在界面处的效应研发出一些新型器件。在之前的研究中，研究人员成功的在GaAs上外延生长了BFO薄膜，但是并没有对异质结体系的电学输运特性进行完全的研究。由于异质结体系的电学特性对于其相关应用有着极大的影响。因此对于其载流子的输运特性研究就显得尤为重要了。在本文中，我们主要研究 BFO/NSTO/GaAs异质结的电学输运特性。
　　1．利用 PLD方法在 p型砷化镓基底上以钛酸锶铌作为缓冲层外延生长了BFO薄膜并表征了其相应的结构特性。利用X射线衍射分析了样品的晶体结构，测试结果说明了所制备的异质结具有单一(00l)取向。同时利用截面形貌图展示了BFO薄膜在NSTO缓冲层上生长状态，从结果中可以看到两者之间具有清晰的界面。最后我们利用 PFM的幅度和相位信号分析了样品的表面特性。在 PFM的测量中我们可以清晰的观察到异质结的畴壁结构，其表明了BFO薄膜在垂直方向上具有良好的极化状态。
　　2．对比了不同薄膜厚度以及不同缓冲层对于异质结体系的性能影响。实验发现异质结薄膜厚度越厚，其介电性能越弱，当薄膜厚度由240nm依次递增为300nm以及360nm时，其介电常数分别为340，280和200。同时对于缓冲层的厚度有一定的约束范围，在本文中当缓冲层NSTO厚度增大为100nm时，异质结性能会急剧降低。
　　3．分析了异质结体系的电学特性。对于实验中观察到的类二极管电学特性以及阻变特性进行了理论分析，其最大整流比约为200。建立了异质结的理想能带结构图，实际上异质结体系形成了背靠背的二极管能带结构，即p-n-p接触。根据能带相应参数计算出BFO和NSTO两者之间的导带势垒和价带势垒分别为0.7eV和1.1eV。利用相同的分析方法，NSTO和GaAs之间的导带与价带势垒分别为0.1eV和1.68eV。根据尼曼在其半导体器件的著作中叙述的理论，在异质结体系的能带结构中，在同一接触界面时，每当空穴势垒高度比电子势垒高度高0.2eV的时候，空穴电流将会比电子电流小104倍，从而确立了异质结体系的主导载流子并解释了整流特性的产生。对于异质结在测量过程中的阻变现象产生，根据本文中异质结的体系结构同时结合了以往在 STO/GaAs和其他的氧化物/GaAs体系内的研究结果。认为 BFO/NSTO/GaAs异质结体系的阻变特性是由于铁电极化可以影响改变BFO/NSTO界面处的耗尽区宽度，而这种耗尽区宽度的变化影响了势垒高度，最终导致了阻变行为的产生。最后我们还简要研究了异质结体系的导电机制，利用相应的导电机制模型对异质结进行了相应的拟合分析。结果表明，异质结体系应当是肖特基发射机理主导的。

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第一章 绪 论

1.1 前言

1.2 多铁材料

1.3 多铁性BiFeO3

1.4 砷化镓半导体

1.5 多铁/半导体异质结

1.6 本文的研究意义和研究内容

第二章 多铁氧化物外延异质结制备及测试方法

2.1 引言

2.2 几种常用外延生长方法

2.3 结构表征

2.4 异质结性能测试

2.5 本章小结

第三章 界面结构对BFO/GaAs外延异质结电学性能的影响

3.1 引言

3.2 异质结的界面结构与电学特性

3.3 缓冲层对异质结电学特性影响

3.4 厚度对异质结电学特性影响

3.5 本章小结

第四章 BFO/NSTO/GaAs异质结阻变特性与导电机制研究

4.1 引言

4.2 BFO/NSTO/GaAs异质结电学特性分析

4.3 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果