鈦酸鍶晶體表面導電層的光電流現(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SrTiO3的研究大量集中在通過摻雜Nd、Cr、La等金屬離子獲得的SrTiO3導電層上。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10000cm2/v·s）、超導，持續(xù)光電流等性質。后來，發(fā)現(xiàn)Ar+轟擊處理后的SrTiO3也出現(xiàn)高遷移率的導電層，

2、該導電層也具有和STO/LAO界面相似的性質。因此，通過如此簡單的方法使SrTiO3從絕緣體向金屬轉變，而不是STO/LAO那樣，使得它的應用潛力更大。光電流現(xiàn)象自從在硒中發(fā)現(xiàn)以來，一直是科學研究的重要課題。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)象被認為是帶內缺陷能級的激發(fā)結果，其光電流衰減曲線可以提取出材料的帶內缺陷特征。此外，現(xiàn)在光電器件已成為社會生產力中不可缺少

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導電層的眾多性質之一。綜上所述，本文研究了Ar+轟擊的SrTiO3晶體表面導電層的光電流特性。主要內容有：
　　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表面導電層。SrTiO3導電層的電阻隨轟擊時間成數(shù)量級下降（logR～-t）。在一定時間段內隨著

4、轟擊時間增長遷移率迅速增加，很快飽和，而載流子濃度會繼續(xù)增加。得到的SrTiO3表面導電層面的載流子濃度在1014量級，在77K時的遷移率為160cm2/v·s。對SrTiO3表面導電層的場效應測試觀察到半導性的樣品具有場效應現(xiàn)象，在背柵電壓VGS<0時為關狀態(tài)而在VGS>0時為開狀態(tài)。
　　2、用波長為520nm（2.38eV）的激光激發(fā)SrTiO3導電層，只有半導性（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。它們的光電流衰減不同于報道的金屬性樣品在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。對光電流衰減曲線的分析表明：在半導性的SrTiO3導電層的導帶附近存在一個寬泛的淺能級陷阱態(tài)，陷阱態(tài)的中心能級在導帶以下82.8meV的位置。高溫下更多的是深能級陷阱貢獻于光電流，所以衰減更慢。對金屬性導電層而言，光電流的衰減與溫度無關，陷阱態(tài)捕獲導帶中的非平衡載流子的熱勢壘只有

6、約5.0meV。這種極低勢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電層主要是多聲子輔助隧穿效應引起的復合機制。這可能與Ar注入形成較高的氧空位密度有關。
　　3、通過分析亞禁帶光電流的產生機制。建立光生非平衡載流子與空穴陷阱能級位置的關系，分析提取了SrTiO3導電層的空穴陷阱分布。結果表明，高溫下（T>250K）離價帶更遠的能級空穴陷阱貢獻于光電流。
　　4、背柵電場不能調制金屬性SrTiO3導電層的面電阻率，