光電協同增強的場效應對LaAlO3/SrTiO3界面中持續光電導的調控*

刀流云 張子濤 肖煜同 張明昊 王帥 何珺賈金山 余樂軍 孫波 熊昌民?

1) (北京師范大學物理學系,北京 100875)

2) (北京師范大學信息科學與技術學院,北京 100875)

(2018 年12 月14 日收到; 2019 年1 月20 日收到修改稿)

LaAlO3/SrTiO3 異質結界面體系具有新奇的二維自由電子氣現象、暫態光電導效應、持續光電導效應等豐富的光電性質,是近年來科學界研究的熱點之一. 本文研究了場效應對LaAlO3/SrTiO3 界面光電導效應的調控,發現光電協同增強的場效應可以使得LaAlO3/SrTiO3 界面產生顯著的持續光電導效應,進一步研究發現: 在光電協同效應的影響下,隨著負的背柵門電壓的增加,持續光電導的數值增大,在–70 V 附近達到極值;隨著負的背柵門電壓處理時間的增加,持續光電導的數值單調增加. LaAlO3/SrTiO3 異質結中這種場增強的持續光電導效應可為多參數可調的光電子記憶器件的研發提供參考依據.

1 引 言

光電導效應是材料電阻(或電導)在光照影響下發生改變的一種現象. 持續光電導效應是光電導效應的一種,具體指的是材料的電阻(或電導)在去掉光照后不能恢復到光照前初始值的一種現象.利用光電導效應可以實現光電信號的轉變,尤其是利用持續光電導效應還能實現信息記憶功能. 因此基于光電導效應可將材料開發成各種光電導器件,在光電跟蹤、導彈制導、信息傳感與記錄等各領域展現出了巨大的應用前景. 然而,隨著時代的發展,人們對各種電子器件的性能、功能、可調性等方面始終有著更高的需求. 在光電導器件的研究方面,目前的一個主要趨勢是尋找新型光電導材料或探究新的控制手段,以期提高或實現多參數可調的光電導效應.

近年來,LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)異質結界面因其具有獨特的二維自由電子氣性質而受到科學界的廣泛關注[1?10]. 此外,在LAO/STO 界面還發現了暫態光電導效應、持續光電導效應以及暫態、持續共存的光電導效應等豐富的光電性質[11?17].這些性質進一步展現了LAO/STO 界面在光電子領域的廣闊應用前景. 因此,光電導效應也是該LAO/STO 異質結研究中的熱點之一. 然而,在LAO/STO 的光電導的調控研究中,目前常用的手段是化學摻雜(如氧空位或雜質插層等),物理手段(如電場或應力等)則較少被采用. 值得注意的是,Lei 等[18]在LAO/STO 界面中發現了光誘導增強的場效應,即光電協同增強的場效應. 這種光電協同效應實質上反映了LAO/STO 中的光激發與場效應間有強的關聯性. 但是,更進一步地,是否能用場效應手段(包括光電協同增強的場效應)來調控該異質結界面的光電導效應呢？這一問題目前仍缺乏研究. 基于此,本文研究了場效應對LAO/STO 異質結的光電導效應的影響,結果發現通過光電協同增強的場效應能顯著提高LAO/STO 界面中的持續光電導效應. 這種場控增強的持續光電導效應,在以往的文獻中未見報道,其在新型場調控的光電子記憶器件的研發方面具有潛在價值.

2 實驗方法

本文所用LAO/STO 異質結樣品的結構如圖1 所示. 其中LAO 薄膜為采用脈沖激光沉積方法制備的薄膜,STO(100)為該LAO 薄膜襯底.LAO 薄 膜 制 備 時 的 氧 分 壓 為3.3 × 10–5Torr(1 Torr =1.33322 × 102Pa),溫度為750 ℃. 通過設定制膜時間,LAO 薄膜厚度控制約為2 nm.X 射線衍射實驗證明本文所制備的LAO 薄膜為外延生長,結晶質量良好. 采用超聲壓焊方法在LAO 表面和STO 背面焊接了Al 電極. 超聲壓焊焊接的Al 電極穿透深度一般為微米級. Al 電極與LAO/STO 異質結界面的接觸電阻小于50 ? . 其中,LAO 薄膜中有Al 電極1,2,3,4 和5,襯底STO背面有Al 電極6. 實驗采用背柵法以實現場效應測量,即: 在3 和6 電極之間加柵壓,其中3 電極接地,6 電極上加門電壓Vgate.

圖1 LAO/STO 測量接線示意圖Fig. 1. Sketch of the experimental setup of the LAO/STO device.

利用四點法測LAO/STO 異質結電阻. 其中1 和5 電極間通電流,2 和4 電極間測電壓. 為測量LAO/STO 的光電導效應,選用波長為405 nm的連續激光器作光源. 光照面積約為4 mm2,光照范圍在LAO 表面上的2 到4 電極之間.

3 實驗結果與討論

3.1 LAO/STO 的電學性質表征與場效應

首先測量了LAO/STO 異質結界面電阻(R)隨溫度(T)的變化. 其結果如圖2 所示,R與T呈現正相關,表明本文所制備得的異質結界面具有良好的金屬導電性,這與文獻[1—10]報道的結果類似. 其導電性一般被認為來源于LAO/STO 界面層中電子型載流子的躍遷.

圖2 LAO/STO 樣品的界面R-T特性曲線Fig. 2.R-Tcurve measured at LAO/STO interface.

然后,分別測量了該LAO/STO 異質結界面電阻R在無光照和有光照影響下的場效應. 其中,場效應中的門電壓通過背柵法施加(見圖1 中的接線示意圖). 測得的LAO/STO 界面電阻R與門電壓(Vgate)隨時間(t)的變化結果分別在圖3(a)與圖3(b)中給出. 圖3(a)中黑色線表示的為不施加光照時R隨t以及Vgate的變化. 初始時異質結的電阻約為135 k ? . 從220 s 到430 s,施加負向柵壓100 V. 在此期間,界面電阻略有上升,在測試時間內達到145 k ? ; 去掉柵壓,電阻恢復到初始態.在600 s 后加上正向柵壓100 V,電阻略微降低,并穩定在130 k ? 附近. 根據上述結果算得負向柵壓場效應對LAO/STO 界面電阻的調控幅度在7.4%左右. 正向柵壓的調控則不明顯,調控幅度約小于4%.

再用功率為30 mW 的405 nm 連續激光照射樣品,研究了光照對場效應的影響. 施加正負門電壓的順序與上述不施加光照時的情形相同,其結果如圖3(a)紅色線條所示. 開始時門電壓為0 V,電阻趨于穩定值119 k ? ; 220 s 處施加–100 V 的門電壓,電阻值迅速上升到388 k ? ,在測量時間段內電阻未達到穩定態; 去掉門電壓,電阻降低并恢復到初始的119 k ? 附近. 在600 s 時施加 + 100 V門電壓,電阻降低,并且趨于穩定值111 k ? ; 去掉門電壓,電阻升高,并且恢復到119 k ? 附近. 根據上述結果,算得負向柵壓場效應在有光照的情況下對界面電阻的調控幅度在226%左右. 正向柵壓的調控不明顯,約為6.7%. 從上述R的相對變化幅度比較可見,光照能顯著增強LAO/STO 異質結中的場效應,即呈現光電協同增強的場效應,這與文獻[18]報道的結果類似.

圖3 LAO/STO 界面電阻R與門電壓Vgate 隨時間t的變化 (a)在不同光照下R隨t的變化; (b)Vgate 隨t的變化Fig. 3. Time dependence of resistanceRand gate voltage Vgate of LAO/STO: (a) Time dependence ofRunder different light illumination; (b) time dependence of gate voltage.

根據LAO/STO 中場效應的光電協同機制[18],若在施加負門電壓的同時施加光照,光照將促進STO 中氧空位往電極6 附近移動,使STO 界面的晶格發生膨脹并產生晶格畸變,破壞其結構的對稱性,從而在STO 的界面附近產生鐵電極化[18?20].STO 界面的鐵電極化會對LAO/STO 界面的載流子濃度有額外的調控作用,從而能提高其場效應[18]. 顯然,這種光電協同增強的場效應與常規的場效應有顯著的不同,因為后者只是通過電容效應調控導電層的載流子濃度.

由于光照影響下的場效應對LAO/STO 界面電阻的調控更為顯著,因此本文將主要研究這種光電協同增強的場效應對LAO/STO 異質結界面的光電導效應的影響.

3.2 LAO/STO 異質結界面光電導效應的場調控效應

3.2.1 無門電壓影響時,LAO/STO 異質結界面的光電導效應

首先研究了無門電壓影響下LAO/STO 的光電導效應. 為測量LAO/STO 異質結的光電導效應,實驗仍選用30 mW 的405 nm 連續激光照射異質結的表面. 利用四電極法測量LAO/STO 異質結界面電阻R隨時間t的變化,其結果如圖4所示.

圖4 光照對LAO/STO 界面電阻R的影響,圖中“on”和“off”分別代表光照的開和關Fig. 4. Effect of light illumination on the LAO/STO resistance. “on” and “off” represent the switch on and off of the illumination,respectively.

從圖4 可見,無光照時,初始的電阻穩定電阻約為129 k ? ,該電阻被定義為Ri. 在320 s 時開始施加光照. 可看到,在光照開啟的同時電阻迅速下降. 經過一段時間后電阻達到穩定值,約為119 k ? ,該電阻被定義為RL. 去掉光照后,電阻又快速上升,并將恢復到Ri. 該現象即為暫態正光電導效應.其光電導(photoconductivity,PC)數值定義為

據(1)式算得LAO/STO 的PC 數值約為7.7%. 隨后再多次施加光照,電阻在Ri和RL之間變化,說明該異質結的正光電導具有好的重復性. 一般認為,LAO/STO 界面層中光生載流子的出現是導致其中產生正光電導效應的原因[11?17].

3.2.2 負門電壓影響下LAO/STO 異質結界面中的持續光電導效應

考慮到LAO/STO 的光電協同增強的場效應主要發生在負的門電壓區,因此在本節及下文,將著重探究負門電壓區的光電協同的場效應對LAO/STO 界面光電導效應的影響. 首先研究的是Vgate=–30 V 的門電壓與光照的協同效應對光電導效應的影響,其中照射光源與上節所述相同.

具體實驗過程如下: 首先測量不施加門電壓和光照時LAO/STO 的界面電阻R隨時間t的變化,結果在圖5 中給出.R穩定時的初始電阻值記為R0,約130 k ? ,為該異質結的初始電阻. 然后,從500 s 開始同時施加門電壓和光照,其中門電壓Vgate=–30 V. 從圖5 可見,同時施加光照與柵壓后,LAO/STO 的界面電阻R上升顯著,約增加到145—160 k ? . 柵壓與光照的協同處理時間共150 s.在第650 s 去掉光照和門電壓,R緩慢下降,直到穩定在一個新的電阻值Rn附近,Rn約為137 k ? .可見Rn大于R0,這說明LAO/STO 界面進入了一個高于初始電阻R0的新的電阻態,即Rn電阻態. 然后,再用相同的光源第二次照射該異質結,進一步研究該新電阻態Rn的光電導效應. 發現激光照射后,LAO/STO 界面電阻從Rn處迅速減小到RL附近(見圖5 中830—1460 s 區間的電阻變化),表現出正的光電導效應. 值得注意的是,此時再去掉光照,LAO/STO 的界面電阻不能恢復到電阻態Rn附近,而只是恢復到130 k ? 附近,該電阻與R0相當,然而明顯小于Rn. 為清楚起見,圖5中的內插圖給出了光照前后Rn與R0的對比. 該實驗實際上表明在LAO/STO 界面出現新的電阻態Rn后,光照使得該異質結出現了明顯的持續光電導效應,即光照后的電阻與光照前的電阻不相等.

圖5 LAO/STO 界面R隨t的變化,其中測量期間,門電壓或光照來回“開”和“關”; 圖中,“L”代表加光照,“U”代表加電壓; “on”和“off”分別代表門電壓或光照的開和關;內插圖為830—1460 s 區間的放大圖Fig. 5.Rof the LAO/STO interface as a function of response time while the gate voltage (marked by “U”) and light illumination (marked by “L”) is switched on and off.Inset is a close view of theR-time curve between 830 s and 1460 s.

定義持續光電導(persistent photoconductivity,PPC)的數值為

由(2)式可得到–30 V 柵壓處理后PPC 約為5.1%.

此外,根據(1)式,還計算了LAO/STO 界面經上述場效應處理后的正光電導的數值(利用R0代替公式中的Ri),約為7.2%,與場效應處理前的數值基本相當. 這說明場效應對LAO/STO 的正光電導效應的影響不明顯.

顯然,經過上述光電協同的場效應處理后,LAO/STO 界面所產生的顯著的持續光電導效應是本文最重要的發現. 基于上述實驗過程,可得到LAO/STO 界面出現持續光電導的原因應是與實驗過程中負的門電壓及光照的共同處理有關. 再根據LAO/STO 的場效應結果及其中的光電協同機制[18],在同時施加負的門電壓與光照時,LAO/STO界面中的氧空位將往STO 的電極6 一側擴散,并且界面層中的載流子濃度將降低. 若同時去掉光照和門電壓,雖然有部分氧空位擴散回到LAO/STO的界面一側,但是仍可能有部分氧空位及束縛的載流子留在STO 中. 因此LAO/STO 界面電阻仍將穩定在一個較高的電阻態(Rn)上. 再施加第二次光照,氧空位束縛的載流子被激發到導帶上. 在LAO/STO 界面能帶彎曲的影響下,這些光生載流子能快速擴散到界面的溝道層當中. 同時,處于電離態的氧空位也因其在STO 晶格中的束縛能降低而更容易擴散回界面層[18]. 因此,在第二次光照后,LAO/STO 的界面層電阻也將容易從電阻態Rn恢復到原有的電阻態R0附近,從而導致光照前后的電阻不相等,產生持續光電導效應.

需要特別指出的是,在圖3 的場效應實驗中,我們未觀察到新的電阻態Rn. 其原因正是因為在圖3 的實驗過程一直有光照影響. 因此,在去掉門電壓后,該異質結的界面電阻在光照的影響下容易恢復到加門電壓前的狀態.

3.2.3 負的門電壓大小對LAO/STO 界面持續光電導的調控

在本節中,進一步探究負向柵壓大小對LAO/STO 界面的持續光電導的調控. 實驗中的光照條件與上一節相同,其中柵壓與光照的協同處理時間仍為150 s,所得的幾種典型的R-t測量結果在圖6中給出.

圖6 LAO/STO 界面R分別經不同柵壓處理后的隨t變化,其中測量期間,門電壓或光照來回“開”和“關” (圖中,“L”代表加光照,“U”代表加電壓; “on”和“off”分別代表門電壓或光照的開和關) (a) –40 V; (b) –60 V; (c) –70 V; (d) –80 VFig. 6. Time dependences ofRof the LAO/STO interface after the processing of various gate voltages while the gate voltages(marked by “U”) and light illumination (marked by “L”) are switched on and off: (a) –40 V; (b) –60 V; (c) –70 V; (d) –80 V.

從圖6 可見,經過不同的柵壓處理后,LAO/STO 的界面電阻都進入一個高于初始值R0的穩定中間電阻態Rn. 再次施加光照影響后,界面電阻都能從Rn恢復到初始電阻R0附近.Rn與R0的差別反映了持續光電導的大小. 由于經不同柵壓及光照處理后的R0基本不變,因此PPC 隨Vgate的變化主要由Rn-Vgate關系決定. 根據上述電阻測量,可定出Rn隨Vgate的變化,結果在圖7 內插圖中示出. 相應地,根據(2)式計算得的PPC 值也在圖7 中示出. 從圖7 可見,Rn隨負柵壓的增大而增大,并在Vgate=–70 V 時達到最大值. 同時,PPC也隨–Vgate的增加而增加,在Vgate=–70 V 時達極大值,約為17%. 此后,Rn和PPC 都隨門電壓的增加而減小.

根據LAO/STO 在光照下的場效應結果可知PPC 和Rn隨門電壓增加的原因為: 當負的門電壓越大時,LAO/STO 界面層中的氧空位和載流子往STO 的電極6 一側遷移越多,LAO/STO 的界面電阻增加也越大. 去掉光照和門電壓后,界面電阻Rn一般也應保持越大. 相應地,PPC 值也增大.然而,Rn以及PPC 在–70 V 處出現極值后下降的機制尚不明確,這有待進一步研究.

3.2.4 光電協同處理時間對LAO/STO 界面持續光電導的調控

本文進一步研究門電壓與光照的協同處理時間(td)對光電導的影響. 光電協同處理和測量過程與上一節類似,仍選擇照射光為30 mW 的405 nm激光,選擇的門電壓Vgate=–50 V. 改變該門電壓與光照的協同處理時間td,分別測得經光電協同處理后的界面電阻Rn及其光照后的電阻. 研究發現:經第二次光照后電阻都能從Rn恢復到R0,并且R0基本不變; 而Rn隨td的增加而增加,結果如圖8 中內插圖所示. 根據(2)式計算得的PPC值隨td的變化結果如圖8 所示.

圖7 PPC 值隨Vgate 的變化,其中內插圖為Rn 隨Vgate 的變化Fig. 7. Relationship between the PPC value and gate voltage (Vgate). Inset is the dependence ofRn onVgate.

圖8 門 電 壓 的 處 理 時 間td 對PPC 值 的 影 響 關 系,插 圖為Rn 隨td 的變化關系Fig. 8. The PPC value as a function of gating timetd. Inset is the dependence ofRn ontd.

從圖8 可以看出,門電壓和光照的協同處理時間越長,LAO/STO 異質結的PPC 數值越大: 其大小從td為80 s 的14.5%增加到td為180 s 的17.5%. 這是由于隨著處理時間的延長,氧空位在STO 一側的電極6 處堆積也增多,界面的載流子濃度也降低更多,從而使Rn增大,因此根據(2)式算得的PPC 增大.

另外,需要特別指出的是,還研究了正的門電壓與光照的協同效應對LAO/STO 的持續光電導效應的調控,結果是未發現LAO/STO 在正的門電壓影響下能出現明顯的PPC 效應. 其原因可能是正的門電壓對LAO/STO 界面電阻態本身就調控不明顯. 此外,還探究了無光照影響的場效應即常規場效應,對LAO/STO 光電導效應的調控,結果也是未發現這種場效應對光電導效應有明顯影響. 這是因為常規的場效應與光電協同增強的場效應對LAO/STO 界面電阻的影響機制有顯著區別.這也從另外一個角度說明本文所發現的PPC 效應與光電協同效應對LAO/STO 界面的獨特作用機制有關.

4 結 論

本文研究了LAO/STO 界面的光電導效應的場調控,發現通過光電協同效應增強的場效應(在一定的背柵門電壓和光照的協同處理下)可以顯著地增強LAO/STO 異質結界面的持續光電導效應.LAO/STO 的這種電場控制的持續光電導效應與該異質結中光電協同機制影響下的氧空位遷移有關. 基于LAO/STO 界面中的這種光電輸運性質,可將LAO/STO 開發成一種由電場控制的光電子記憶器件或光探測器件,具有潛在的應用價值.