毛田田，廖錫龍，楊云龍，荔 靜，熊昌民，王登京

(1.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢，430065；2.北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京，100875)

III-V族半導(dǎo)體襯底薄膜材料因其具有良好的光電子和高移動性的傳輸性質(zhì)，在微電子、光電子等重要領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料之一。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物由于其具有鐵磁性、鐵電性、壓電性、熱電性、超導(dǎo)性和非線性光學(xué)效應(yīng)等諸多性質(zhì)在近年來受到廣泛關(guān)注[1-3]。如何把這兩種材料耦合起來，構(gòu)成性能更加優(yōu)異的光電功能材料是目前研究的熱點。

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物可以用ABO3來表示，A位為稀土元素， B 位為過渡元素，陽離子B與六個氧離子構(gòu)成八面體配位。鋁酸鑭(LaAlO3，LAO)是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物中的一個典型代表，晶格常數(shù)為0.3821 nm，與大多數(shù)功能氧化物匹配良好，所以鋁酸鑭與鈦酸鍶(SrTiO3，STO)一樣也經(jīng)常被用作各種功能氧化物材料的襯底。LAO與STO 本身就有很高的研究價值，自2004年美國貝爾實驗室的Ohtomo等[4]在LaAlO3/SrTiO3界面觀察到具有高遷移率的二維電子氣(2DEG)以來，LaAlO3/SrTiO3界面的物理現(xiàn)象引起眾多研究者的關(guān)注。

砷化鎵(GaAs)是第二代半導(dǎo)體中的代表，具有直接帶隙、閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為0.565 nm。砷化鎵電子遷移率比硅大5～6倍，在微波器件和高速數(shù)字電路方面有重要應(yīng)用；它還可以制成電阻率比硅、鍺高3個數(shù)量級以上的半絕緣高阻材料，用于光電導(dǎo)開關(guān)、集成電路襯底、紅外探測器、γ光子探測器等。因此，在砷化鎵基片上外延生長鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物具有很高的研究和應(yīng)用價值。

目前，半導(dǎo)體集成技術(shù)日趨成熟，隨著半導(dǎo)體襯底薄膜制備技術(shù)的提高，功能氧化物材料與半導(dǎo)體的集成成為可能，在不同取向的硅基片上外延生長鈣鈦礦氧化物已經(jīng)實現(xiàn)[5]。對STO/GaAs異質(zhì)界面的研究有十年之久[6-12]，Liang等[6]使用分子束外延(MBE)方法將STO薄膜外延沉積在GaAs(001)上，研究表明可以在砷化鎵上生長鈣鈦礦氧化物外延；Klie等[7]使用掃描透射電子顯微鏡(STEM)在原子分辨率下進行STO/GaAs界面表征；Hong等[13]利用第一性原理計算，對STO/GaAs界面的穩(wěn)定性及導(dǎo)電性進行研究，發(fā)現(xiàn)STO/GaAs界面存在電子型導(dǎo)電層。

1 試驗過程

2 結(jié)果與討論

2.1 LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)界面處電輸運特性

通過VASP軟件包建立LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)界面處的晶格結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。從圖1中可以看出，LAO與GaAs有很好的晶格匹配度(晶格失配度為4.3%)，但當(dāng)兩者通過旋轉(zhuǎn)構(gòu)成界面時界面處會出現(xiàn)缺陷，比如有懸空的氧離子，使得LAO/GaAs界面處產(chǎn)生新的電學(xué)性質(zhì)。

(a)立體結(jié)構(gòu) (b)橫截面

圖1LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)界面處的晶格結(jié)構(gòu)模型

Fig.1LatticestructuremodelsofLAO/GaAsheterojunctioninterface

LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)薄膜的AFM照片如圖2所示。從圖2中LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)薄膜的二維、三維結(jié)構(gòu)可以看出，沉積的LAO/GaAs薄膜表面比較光滑平整，粗糙度較低，其方均根粗糙度僅為0.86 nm，由此表明， LAO在GaAs表面生長均勻，薄膜質(zhì)量較高。

(a)二維結(jié)構(gòu)

(b)三維結(jié)構(gòu)

LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)薄膜的XRD圖譜如圖3所示。從圖3中可以看到兩個明顯的單晶衍射峰，最強峰為出現(xiàn)在2θ為67°附近的GaAs(400)峰，其次LAO(110)峰位也比較明顯，出現(xiàn)在2θ為32°附近；LAO(110)與GaAs(200)非常接近，與GaAs(400)峰相比，GaAs的(200)峰位很弱，約為GaAs(400)峰的1/70，因此GaAs(200)被LAO(110)峰位所覆蓋。由此表明，LAO沿(110)方向生長，即LAO沿GaAs襯底旋轉(zhuǎn)45°的方向生長。

圖3 LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)薄膜的XRD圖譜

采用Van der Pauw方法通過PPMS-9系統(tǒng)分別測試LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)薄膜的面電阻以及經(jīng)過相同工藝處理的GaAs襯底的表面電阻，發(fā)現(xiàn)GaAs襯底的電阻率太大而無法測量，表明GaAs襯底對LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)薄膜電學(xué)測量結(jié)果產(chǎn)生影響極小，可忽略不計，所測得的電導(dǎo)主要來自于LAO/GaAs界面。在較低溫度下，由于LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)的電阻率太大，所測量的電阻值不穩(wěn)定，因此只分析了溫度為150 K以上的數(shù)據(jù)。圖4為LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)的面內(nèi)電阻(RXX)隨溫度的變化曲線。從圖4中可看出，LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)的電阻隨溫度上升而逐漸單調(diào)減小。

圖4LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)的面內(nèi)電阻(RXX)隨溫度的變化曲線

Fig.4Variationofsheetresistance(RXX)ofLAO/GaAsheterojunctionwithtemperature

在不同溫度下LAO/GaAs樣品的霍爾電阻隨磁場強度的變化曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，不同溫度下LAO/GaAs樣品的霍爾電阻(RXY)與施加的磁場強度呈線性相關(guān)，符合霍爾電阻與磁場的關(guān)系公式，即

(1)

圖5 LAO/GaAs樣品的霍爾電阻隨磁場強度的變化曲線

Fig.5VariationofHallresistanceofLAO/GaAssamplewithmagneticfield

式中:B為磁感應(yīng)強度，T；e為單個載流子所帶電荷量，C；n為載流子濃度，m-3；d為導(dǎo)電層厚度，m;1/ne為霍爾系數(shù)，m3C-1，該系數(shù)若為正，表明樣品的導(dǎo)電行為是空穴型導(dǎo)電，若為負(fù)則其導(dǎo)電行為為電子型導(dǎo)電。

從圖5中還可以看出， 在測量溫度區(qū)間內(nèi)，RXY-H曲線的斜率為正值，表明其霍爾系數(shù)為正，則LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)中載流子類型是空穴型的，由此表明，在LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)界面存在空穴型導(dǎo)電行為。

2.2 LAO / GaAs異質(zhì)結(jié)中界面處的空穴來源分析

盡管在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中存在很多界面空穴導(dǎo)電層的案例，但迄今為止還沒有關(guān)于鈣鈦礦氧化物基異質(zhì)結(jié)中類似的空穴導(dǎo)電界面的報道。本文對LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)中界面處的空穴型載流子的來源從以下幾個方面進行分析：

(1)GaAs真空退火效應(yīng)。有研究表明，GaAs真空退火的溫度高于1000 ℃時，會形成空穴導(dǎo)電[14-15]，而本試驗中樣品制備溫度僅為680 ℃，遠(yuǎn)低于1000 ℃，因此空穴型載流子與GaAs真空退火效應(yīng)無關(guān)，而且在試驗過程中，在相同的溫度下對GaAs進行退火處理時，發(fā)現(xiàn)其電阻極大而無法測試，所以可以排除高溫真空退火對GaAs電學(xué)性能造成的影響。

(2)由熱擴散引起的界面原子的摻雜效應(yīng)。相關(guān)研究人員提出，LaAlO3中的La3+擴散到SrTiO3晶格中并取代Sr2+[16-17]，導(dǎo)致LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)界面處的2DEG。 然而，對于LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)，La3+、Al3+和Ga3+具有相似的電子結(jié)構(gòu)，它們沒有額外的價電子和自由能級成為施主或受主，也就是說，即使離子在界面處擴散，也不應(yīng)該導(dǎo)致電子或空穴載流子，由此表明，摻雜效應(yīng)對LAO/GaAs界面上的空穴型導(dǎo)電行為沒有顯著貢獻。

(3)空穴來源于界面處氧離子的懸空鍵效應(yīng)。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，界面處的懸空鍵是導(dǎo)致載流子的常見方式，而在LAO/GaAs界面處，由于LAO與GaAs襯底之間的晶體結(jié)構(gòu)并不完全匹配，氧離子處于懸空狀態(tài)，周圍缺少與其成鍵的La、Al等原子，可能導(dǎo)致氧最外層軌道失去電子，形成氧空位。在這里選取以LaO-As方式結(jié)合時LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)界面處懸空氧的電子得失情況進行說明。通過第一性原理計算和VASP軟件包模擬得出LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)(以LaO-As方式結(jié)合)界面處各個原子的電子得失情況，如圖6所示，其中藍(lán)色代表是失電子，紅色代表得電子。從圖6中可以看出，界面處的三個氧原子向下失電子嚴(yán)重，界面處氧原子極可能失電子形成O1-，即使O1-從Al等原子處得到部分電子補償，也會造成其它原子失去電子造成空穴轉(zhuǎn)移。由此可以推斷，界面處空穴載流子最有可能是懸空的氧離子等晶格缺陷造成的。

(a)晶格平面結(jié)構(gòu) (b) 原子的電子得失情況

圖6VASP模擬LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)界面處原子電荷狀態(tài)

Fig.6InterfacialatomicchargeofLAO/GaAsheterojunctioninterfacebyVASPsimulation

綜上分析，LAO/GaAs異質(zhì)結(jié)界面處存在空穴型載流子可能是界面處存在懸空的氧離子等晶格缺陷所造成的。

3 結(jié)論

(1)采用脈沖激光沉積法外延生長LaAlO3/GaAs異質(zhì)結(jié)， LaAlO3在GsAs 單晶襯底上旋轉(zhuǎn)45°實現(xiàn)外延生長，且LaAlO3在GaAs表面生長均勻。

(2)LaAlO3/GaAs異質(zhì)結(jié)界面處存在空穴型的導(dǎo)電行為。

(3)LaAlO3/CaAs異質(zhì)結(jié)界面處的空穴型載流子可能是界面處存在懸空的氧離子等晶格缺陷所造成的。