随着芯片特征尺寸的不断减小,传统半导体技术正在逼近物理极限,业界开始寻找新的方案来替换目前流行的硅工艺技术。宽禁带半导体以及自旋电子器件等技术的崛起让业界看到了新的希望。其中,宽禁带半导体也被称为第三代半导体。相对前两代半导体,它们具有更大的带宽、更高的击穿电压以及更大的饱和电子漂移率等特性,更适于构造性能良好的高频高速器件、功率器件、发光器件以及高密度集成器件等,在集成电路、电子通信以及光电等领域都存在了很大的市场潜力。而当芯片特征尺寸与电子的de Broglie波长相比拟时,就会出现一系列的量子效应,这些效应如果考虑不周,可能会给当前的电子线路带来危害。但是反过来,如果能够掌控并利用这些效应,构造出相应的量子自旋器件,则能使得器件工作于更低功耗、更高集成密度的场景,这必将大大提高集成电路的信息处理能力。透明导电氧化物(TCO)半导体是宽禁带半导体中的一大分支,有望在场效应晶体管(FET)、隐形电子器件以及平板显示等多方面发挥巨大的作用。然而相对于传统的n型TCO半导体,p型TCO较低的导电性及透过率在一定程度上阻碍了TCO器件的发展。CuCr1-xMgxO2(CCMO)是同类型结构中电导性能最好的p型半导体。同时,其独特的磁电特性让它在自旋电子器件领域也有非常光明的应用前景,因此近年来成为了一大研究热点。本文对CCMO样品的多种特性进行了表征分析及模型建立,并利用这些获得的特征参数构造出性能良好的TCO异质结器件,有望加速其在新一代室温电子器件方面的应用。当然,随着半导体器件向着低功耗、高频率等特性方向发展的同时,其特征信号的捕获也变得越来越具有挑战。传统的测量技术已经越来越难以满足精密性和速度等方面的需求,尤其是在新型半导体器件研发过程中经常伴随的高频、强磁场以及极限温度等复杂环境下,如何准确获取器件参数是业界正在考虑的问题。本研究工作针对以上提出的一些技术挑战,研发了兼具精度、速度、稳定易用等特性的输运数据采集分析系统,以便在研发新型半导体器件的过程中起到一定的推动作用。本文的主要工作和创新点包括以下几点：1.研发了基于数字锁相放大技术的输运数据实时测量系统以及复杂环境下自动化半导体电学特性采集分析系统。其中数字锁相输运实时测量系统的主要创新点如下：(a)利用数字锁相技术采集交流信号,采用了独立的编程可控信号源,并引进相位标记技术给锁相放大器提供参考信号。整个系统能够实现良好的噪声抑制,兼具测量精度与速度,并能研究交流输运特性。(b)测量由程序控制自动进行,速度相对于其他传统方法提高了数十倍。信号实时采集,测量结果准确并且密集。(c)程序架构设计合理,主体使用状态机以及生产者消费者等设计模式,稳定性和可扩展性强。而半导体电学特性采集分析系统主要创新点如下：(a)本系统可进行深低温、强磁场等复杂环境下的多种半导体电学参数的测量,经过后台算法对数据进行处理后,最终结果将自动保存为设定的数据格式。(b)程序控制自动化进行变磁场、变温输运的测量。前面板拥有良好的人机交互界面,可实时显示特性曲线及特征参数。各项功能利用事件结构中的动态调用,实现良好的解耦特性,增强了程序架构的稳定性。(c)整个系统屏蔽措施良好,测量结果精确。可精确提供皮安级别的恒定电流以及获得纳伏级别的电阻电压和霍尔电压,能够精确测量超低或者超高电阻值样品的磁电特性。测量技术主要采用范德堡法,对样品形状要求低。程控自动切换引脚,增强了系统的稳定性及速度。(d)能研究复杂环境下不同光照对样品各种输运特性的影响及复杂环境下的光生载流子特性。并且样品与光源完全隔离,可以忽略光源发热对样品的影响。2.结合太赫兹反射谱与霍尔测试,深入研究了CCMO样品的载流子动力学。研究结果表明：(a)CCMO样品的太赫兹反射谱在15 THz左右的峰位被识别为特征峰,并且该特征峰中心随温度升高而出现红移。在低于6 THz的频率范围内,其自由载流子吸收效应变得更加突出。(b)对于x=0.02,0.06,和0.10的样品,霍尔系数的温度依赖趋势分别在220,206和194 K下显示了一个转折点。该现象可以归因于载流子输运机制从热激活模式转变为三维变程跃迁模式。(c)通过使用Lorentz-Drude模型对太赫兹谱进行拟合计算,能够获得与电学表征手段得到的基本一致的电学特性,该方法为在电学测量出现困难的时候提供另一种获得样品电学参数的路径。3.通过对CCMO的光电磁等多项特性进行表征和拟合计算,详细分析了其能带结构、跃迁模型以及振动模式等。研究结果表明：(a)结合Tauc-Lorentz模型对CCMO的变温透射谱进行拟合计算,证明其价带顶由Cr 3d特性主导。Cr离子的自旋-轨道相互作用使CCMO的3d态更加分散,从而可以导致比较高的导电特性。(b)在荧光谱1.8 eV附近发现了强烈的激子激发,这是由CCMO天然低维度结构引起的,并且可通过温度和空穴浓度调制。(c)对于x=0.02和0.04的样品,发现了异常的带隙温度依赖特性。在低温区,随着温度的减小,带隙显示红移。这是由Cr-O-Cu在价带的上半部分强烈的相互作用引起的。该相互作用同样也导致了拉曼振子Eg的异常温度依赖特性。这个效应可以通过增大Mg组分而削弱。(d)通过结合极低温度下低频太赫兹谱及磁阻震荡的研究,建立了考虑自旋反转效应修正的跃迁能级模型。(e)在20 K左右CCMO会经历连续两个磁相变过程。在相变过程中,其内在结构由平面转为螺旋立体结构,这使得x=0.06和0.10的样品在最低的温度范围内Eg和Eu振动模式随温度下降重新出现红移模式。4.设计了基于CCMO的异质结器件,通过研究其电流-电压(I-V)特征曲线及磁场下的电学特性,详细讨论了其内在输运机制,探讨了该类器件室温应用的前景。研究成果如下：(a)成功研制了以p型半导体CCMO为基础的异质结器件,该器件具有良好的电学特性。(b)磁场下界面附近的自旋向下载流子和远离界面区域的自旋向上的载流子的反平行自旋极化之间的散射导致了的该异质结样品的正磁阻效应。(c)在低偏压区域,该器件的电流是由隧穿效应支配的,并且在室温下存在可控的磁阻效应,表明其非常适合于构造低功耗隧穿电子器件。