LaAlO3/GaAs異質結界面的空穴導電行為分析

毛田田，廖錫龍，楊云龍，荔 靜，熊昌民，王登京

(1.武漢科技大學理學院，湖北 武漢，430065；2.北京師范大學物理學系，北京，100875)

III-V族半導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，在微電子、光電子等重要領域有非常廣泛的應用，是現代信息產業的基礎材料之一。鈣鈦礦結構氧化物由于其具有鐵磁性、鐵電性、壓電性、熱電性、超導性和非線性光學效應等諸多性質在近年來受到廣泛關注[1-3]。如何把這兩種材料耦合起來，構成性能更加優異的光電功能材料是目前研究的熱點。

鈣鈦礦結構氧化物可以用ABO3來表示，A位為稀土元素， B 位為過渡元素，陽離子B與六個氧離子構成八面體配位。鋁酸鑭(LaAlO3，LAO)是鈣鈦礦結構氧化物中的一個典型代表，晶格常數為0.3821 nm，與大多數功能氧化物匹配良好，所以鋁酸鑭與鈦酸鍶(SrTiO3，STO)一樣也經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界面的物理現象引起眾多研究者的關注。

砷化鎵(GaAs)是第二代半導體中的代表，具有直接帶隙、閃鋅礦結構，其晶格常數為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字電路方面有重要應用；它還可以制成電阻率比硅、鍺高3個數量級以上的半絕緣高阻材料，用于光電導開關、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構氧化物具有很高的研究和應用價值。

目前，半導體集成技術日趨成熟，隨著半導體襯底薄膜制備技術的提高，功能氧化物材料與半導體的集成成為可能，在不同取向的硅基片上外延生長鈣鈦礦氧化物已經實現[5]。對STO/GaAs異質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界面的穩定性及導電性進行研究，發現STO/GaAs界面存在電子型導電層。

1 試驗過程

2 結果與討論

2.1 LAO/GaAs異質結界面處電輸運特性

通過VASP軟件包建立LAO/GaAs異質結界面處的晶格結構模型如圖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%)，但當兩者通過旋轉構成界面時界面處會出現缺陷，比如有懸空的氧離子，使得LAO/GaAs界面處產生新的電學性質。

(a)立體結構 (b)橫截面

圖1LAO/GaAs異質結界面處的晶格結構模型

Fig.1LatticestructuremodelsofLAO/GaAsheterojunctioninterface

LAO/GaAs異質結薄膜的AFM照片如圖2所示。從圖2中LAO/GaAs異質結薄膜的二維、三維結構可以看出，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，薄膜質量較高。

(a)二維結構

(b)三維結構

LAO/GaAs異質結薄膜的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，最強峰為出現在2θ為67°附近的GaAs(400)峰，其次LAO(110)峰位也比較明顯，出現在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45°的方向生長。

圖3 LAO/GaAs異質結薄膜的XRD圖譜

采用Van der Pauw方法通過PPMS-9系統分別測試LAO/GaAs異質結薄膜的面電阻以及經過相同工藝處理的GaAs襯底的表面電阻，發現GaAs襯底的電阻率太大而無法測量，表明GaAs襯底對LAO/GaAs異質結薄膜電學測量結果產生影響極小，可忽略不計，所測得的電導主要來自于LAO/GaAs界面。在較低溫度下，由于LAO/GaAs異質結的電阻率太大，所測量的電阻值不穩定，因此只分析了溫度為150 K以上的數據。圖4為LAO/GaAs異質結的面內電阻(RXX)隨溫度的變化曲線。從圖4中可看出，LAO/GaAs異質結的電阻隨溫度上升而逐漸單調減小。

圖4LAO/GaAs異質結的面內電阻(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，符合霍爾電阻與磁場的關系公式，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為導電層厚度，m;1/ne為霍爾系數，m3C-1，該系數若為正，表明樣品的導電行為是空穴型導電，若為負則其導電行為為電子型導電。

從圖5中還可以看出， 在測量溫度區間內，RXY-H曲線的斜率為正值，表明其霍爾系數為正，則LAO/GaAs異質結中載流子類型是空穴型的，由此表明，在LAO/GaAs異質結界面存在空穴型導電行為。

2.2 LAO / GaAs異質結中界面處的空穴來源分析

盡管在傳統的半導體異質結中存在很多界面空穴導電層的案例，但迄今為止還沒有關于鈣鈦礦氧化物基異質結中類似的空穴導電界面的報道。本文對LAO/GaAs異質結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。有研究表明，GaAs真空退火的溫度高于1000 ℃時，會形成空穴導電[14-15]，而本試驗中樣品制備溫度僅為680 ℃，遠低于1000 ℃，因此空穴型載流子與GaAs真空退火效應無關，而且在試驗過程中，在相同的溫度下對GaAs進行退火處理時，發現其電阻極大而無法測試，所以可以排除高溫真空退火對GaAs電學性能造成的影響。

(2)由熱擴散引起的界面原子的摻雜效應。相關研究人員提出，LaAlO3中的La3+擴散到SrTiO3晶格中并取代Sr2+[16-17]，導致LaAlO3/SrTiO3異質結界面處的2DEG。 然而，對于LAO/GaAs異質結，La3+、Al3+和Ga3+具有相似的電子結構，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，也不應該導致電子或空穴載流子，由此表明，摻雜效應對LAO/GaAs界面上的空穴型導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。在傳統的半導體異質結中，界面處的懸空鍵是導致載流子的常見方式，而在LAO/GaAs界面處，由于LAO與GaAs襯底之間的晶體結構并不完全匹配，氧離子處于懸空狀態，周圍缺少與其成鍵的La、Al等原子，可能導致氧最外層軌道失去電子，形成氧空位。在這里選取以LaO-As方式結合時LAO/GaAs異質結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異質結(以LaO-As方式結合)界面處各個原子的電子得失情況，如圖6所示，其中藍色代表是失電子，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)晶格平面結構 (b) 原子的電子得失情況

圖6VASP模擬LAO/GaAs異質結界面處原子電荷狀態

Fig.6InterfacialatomicchargeofLAO/GaAsheterojunctioninterfacebyVASPsimulation

綜上分析，LAO/GaAs異質結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 結論

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

(2)LaAlO3/GaAs異質結界面處存在空穴型的導電行為。

(3)LaAlO3/CaAs異質結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。