鈦酸鍶晶體表面導(dǎo)電層的光電流現(xiàn)象研究.pdf

1、鈦酸鍶（SrTiO3）晶體是一種鈣鈦礦型絕緣體。早期，對(duì)SrTiO3的研究大量集中在通過(guò)摻雜Nd、Cr、La等金屬離子獲得的SrTiO3導(dǎo)電層上。十年前，SrTiO3/LaAlO3（STO/LAO）界面處發(fā)現(xiàn)高遷移率的二維電子氣（2DEG）引發(fā)了人們對(duì)SrTiO3的極大研究興趣，并發(fā)現(xiàn)STO/LAO界面具有高遷移率（4K時(shí)10000cm2/v·s）、超導(dǎo)，持續(xù)光電流等性質(zhì)。后來(lái)，發(fā)現(xiàn)Ar+轟擊處理后的SrTiO3也出現(xiàn)高遷移率的導(dǎo)電層，

2、該導(dǎo)電層也具有和STO/LAO界面相似的性質(zhì)。因此，通過(guò)如此簡(jiǎn)單的方法使SrTiO3從絕緣體向金屬轉(zhuǎn)變，而不是STO/LAO那樣，使得它的應(yīng)用潛力更大。光電流現(xiàn)象自從在硒中發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直是科學(xué)研究的重要課題。研究發(fā)現(xiàn)，光激發(fā)現(xiàn)象是探索半導(dǎo)體缺陷分布的有效手段。特別地，亞禁帶（Sub-bandgap）光激發(fā)的光電流現(xiàn)象被認(rèn)為是帶內(nèi)缺陷能級(jí)的激發(fā)結(jié)果，其光電流衰減曲線可以提取出材料的帶內(nèi)缺陷特征。此外，現(xiàn)在光電器件已成為社會(huì)生產(chǎn)力中不可缺少

3、的組成部分。因此，材料的光電流現(xiàn)象研究具有重要意義。而光電流現(xiàn)象是Ar+轟擊處理的SrTiO3導(dǎo)電層的眾多性質(zhì)之一。綜上所述，本文研究了Ar+轟擊的SrTiO3晶體表面導(dǎo)電層的光電流特性。主要內(nèi)容有：
　　1、采用霍爾離子源在8×104Pa的真空度下，Ar+束能量為200eV，0.8A電子束流的條件下轟擊處理SrTiO3得到SrTiO3表面導(dǎo)電層。SrTiO3導(dǎo)電層的電阻隨轟擊時(shí)間成數(shù)量級(jí)下降（logR～-t）。在一定時(shí)間段內(nèi)隨著

4、轟擊時(shí)間增長(zhǎng)遷移率迅速增加，很快飽和，而載流子濃度會(huì)繼續(xù)增加。得到的SrTiO3表面導(dǎo)電層面的載流子濃度在1014量級(jí)，在77K時(shí)的遷移率為160cm2/v·s。對(duì)SrTiO3表面導(dǎo)電層的場(chǎng)效應(yīng)測(cè)試觀察到半導(dǎo)性的樣品具有場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象，在背柵電壓VGS<0時(shí)為關(guān)狀態(tài)而在VGS>0時(shí)為開(kāi)狀態(tài)。
　　2、用波長(zhǎng)為520nm（2.38eV）的激光激發(fā)SrTiO3導(dǎo)電層，只有半導(dǎo)性（Semiconductor like）和面電阻較大的金屬性（

5、Metallic like）樣品才具有光電流響應(yīng)。它們的光電流衰減不同于報(bào)道的金屬性樣品在405nm光和UV光激發(fā)下的光電流衰減特性。其光電流在低溫下衰減更快。對(duì)光電流衰減曲線的分析表明：在半導(dǎo)性的SrTiO3導(dǎo)電層的導(dǎo)帶附近存在一個(gè)寬泛的淺能級(jí)陷阱態(tài)，陷阱態(tài)的中心能級(jí)在導(dǎo)帶以下82.8meV的位置。高溫下更多的是深能級(jí)陷阱貢獻(xiàn)于光電流，所以衰減更慢。對(duì)金屬性導(dǎo)電層而言，光電流的衰減與溫度無(wú)關(guān)，陷阱態(tài)捕獲導(dǎo)帶中的非平衡載流子的熱勢(shì)壘只有

6、約5.0meV。這種極低勢(shì)壘和光電流衰減速率不依賴于溫度的典型特征表明金屬性導(dǎo)電層主要是多聲子輔助隧穿效應(yīng)引起的復(fù)合機(jī)制。這可能與Ar注入形成較高的氧空位密度有關(guān)。
　　3、通過(guò)分析亞禁帶光電流的產(chǎn)生機(jī)制。建立光生非平衡載流子與空穴陷阱能級(jí)位置的關(guān)系，分析提取了SrTiO3導(dǎo)電層的空穴陷阱分布。結(jié)果表明，高溫下（T>250K）離價(jià)帶更遠(yuǎn)的能級(jí)空穴陷阱貢獻(xiàn)于光電流。
　　4、背柵電場(chǎng)不能調(diào)制金屬性SrTiO3導(dǎo)電層的面電阻率，