郝蘭眾 劉云杰

（中國石油大學〈華東〉理學院 山東 青島 266555）

0 前言

自從高溫超導和巨磁阻現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以來，具有鈣鈦礦結構的鑭系氧化物薄膜材料，如LaCaMnO3、LaSrMnO3及LaBaMnO3（LBMO）等，受到了光泛的研究[1-3]。 考慮到其良好的磁學、光學及電學等性質，若把鑭系氧化物薄膜與其它氧化物材料集成在一起，不僅可研制具有光、磁、電等各種功能一體化的多功能器件，還很有可能會出現(xiàn)一些新奇的現(xiàn)象和效應，如優(yōu)良的整流性質等[4,5]。 從實際應用出發(fā)，將鑭系鈣鈦礦結構氧化物薄膜與半導體材料疊加在一起更具有實際應用價值，特別是該類薄膜材料與硅（Si）半導體的集成。 這將有利于實現(xiàn)功能器件與大規(guī)模集成電路的集成和一體化。

本文中，我們利用直流磁控濺射的方法，成功在n-Si 半導體襯底上制備LaBaMnO3（LBMO）薄膜，從而形成新型p-n結。 通過性能測量，本文對所制備p-n 結的電流-電壓（I-V）性質特征進行研究。

1 實驗

利用直流磁控濺射方法， 在n-Si 半導體襯底表面沉積LBMO 薄膜。實驗中所使用的Si 襯底的電阻率為2-5Ωcm。在沉積薄膜之前，首先將Si 襯底在去離子水、酒精和丙酮中反復多次清洗。 然后，將清洗后的Si 襯底在氫氟酸溶液（3%）中浸泡3 分鐘，以去除Si 表面的非晶氧化物層。 利用高純氮氣吹干以后，迅速將Si 襯底移入真空腔。薄膜制備過程中，真空腔中氣壓為6Pa，其中氧氣與氬氣的流量比為1：2。 基片溫度保持500℃不變。LBMO 薄膜的厚度約為80nm。沉積完成后，在純氧條件下將LBMO 薄膜進行原位高溫退火處理。 退火溫度為700℃，氧氣壓為0.5 大氣壓，退火時間為30 分鐘。

利用X 射線衍射（XRD）技術對LBMO/Si 異質結構的微觀結構進行分析。 通過電流-電壓 （I-V） 曲線測量， 研究LBMO/Si p-n 結的電學性質特征。

2 結果與討論

圖1 為LBMO/Si 異質結構的XRD θ-2θ 掃描圖譜。 從圖中可以看出，除了Si 半導體襯底的（200）和（400）衍射峰外，僅有LBMO 薄膜的鈣鈦礦結構衍射峰。LBMO（100）、（200）和（211）多個衍射峰的出現(xiàn)，表明所制備的LBMO 薄膜為多晶結構。 對比各個衍射峰的強度，從圖中可以看出LBMO（211）晶向為擇優(yōu)晶向。

圖1 LBMO/Si 異質結構的X 射線衍射分析圖譜

圖2 不同測試溫度條件下，LBMO/Si p-n 結的I-V 曲線。 插圖為I-V 性質測量結構示意圖

圖2 為不同測試溫度條件下，LBMO/Si p-n 結的I-V 曲線。插圖為I-V 性質測量結構示意圖。從圖中可以看出，在整個測量溫度范圍內（180-300K），所制備的LBMO/Si p-n 結均表現(xiàn)出明顯的整流特征，即正向導通、反向截止。 該特征與常規(guī)的半導體p-n 結類似。 根據測試結果，可以計算得到LBMO/Si p-n 結的整流比（I+V/I-V）。當測試溫度為300K 和外加電壓為5 V 時，該p-n 結的整流比（I+10V/I-5V）超過102數量級。

上述LBMO/Si p-n 結中的整流性質可利用半導體能帶理論進行解釋。 由于費米能級不同， 當在n-Si 基片上沉積LBMO 薄膜后，電子將從費米能級高的n-Si 流向費米能級低的p-LBMO。 因而，n-Si 的費米能級不斷下移，而p-LBMO 的費米能級不斷上移，直至二者的費米能級相等為止。 此時，pn 結具有統(tǒng)一的費米能級，處于平衡狀態(tài)。能帶相對移動的原因是p-n 結空間電荷區(qū)中存在內建電場的結果。 隨著從n-Si指向p-LBMO 的內建電場的不斷增強，空間電荷區(qū)內的電勢由n-Si 到p-LBMO 不斷降低，而電子的電勢能則不斷增加。所以，LBMO 薄膜的能帶相對n-Si 的上移，而n-Si 的能帶相對LBMO 薄膜的下移，直至費米能級處處相等，能帶才停止相對移動，p-n 結達到平衡狀態(tài)。 平衡p-n 結中，存在著一定寬度和勢壘高度的勢壘，其中相應的出現(xiàn)內建電場，電子的擴散電流和漂移電流互相抵消，沒有凈電流通過p-n 結。 在外加反向偏壓作用時，反向偏壓在勢壘區(qū)產生的電場與內建電場方向一致，勢壘區(qū)的電場增強，勢壘區(qū)變寬，勢壘高度增加。 因此，隨著反向電壓的增加，反向電流趨于飽和。 在外加正向電場的作用下， 正向電場與勢壘區(qū)的內建電場方向相反，因而減弱了勢壘區(qū)的電場強度。 同時，勢壘區(qū)的寬度減小，勢壘高度也降低。 隨著正向電場的增加，勢壘高度逐漸減小。 當外加電場達到某一閾值電壓時，大量電子將躍過勢壘，參與p-n 結的導電，使p-n 結中的電流迅速增加，從而使p-n結處于導通狀態(tài)。

3 結論

利用直流磁控濺射濺射的方法，在n-Si（100）基片表面沉積LBMO 薄膜，從而形成p-LBMO/n-Si p-n 結。 XRD 分析結果表明：所制備的LBMO 薄膜為多晶鈣鈦礦結構，其晶格結構具有（211）擇優(yōu)取向。I-V 性質測量結果顯示：LBMO/Si p-n結具有明顯的整流特征，即正向導通、反向截止。 因此，該類p-n 結在新型半導體電子器件中具有巨大潛在應用。

［1］張福恒，王凌飛，黃振，吳文彬.La0.67Ca0.33MnO3/NdGaO3（001）薄膜中外延應變誘導的各向異性磁阻效應[J].低溫物理學報,2011,33（03）:166-169.

［2］李國民，王凌飛，黃振，吳文彬.La0.67Ca0.33MnO3薄膜中中的各向異性應變與電荷有序[J].低溫物理學報,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］劉新軍，李效民，王群，楊蕊，曹遜，陳立東.Ti/La0.7Ca0.3MnO3/Pt 結構器件中負電阻開關特性研究[J].無機材料學報，2010，25（2）:151-156.

［5］萬冀豫，金克新，譚興毅，陳長樂.Pr0.5Ca0.5MnO3/Si 異質結輸運特性和整流特性研究[J].物理學報，2010，59（11）:8137-8141.