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二十一世纪将是材料一电子一体化的世纪。用一种新型功能材料或将几种新型功能材料复合形成异质结制作出具有特定功能的微电子器件、集成的器件阵列或制备具有敏感特性的器件已成为目前材料学、物理学和微电子学研究的前沿和热点之一。作为新型功能材料中的重要成员,巨磁阻薄膜和铁电薄膜因其丰富的功能特性而倍受物理学、材料学、微电子与光电子学领域的科学技术人员和学者的关注。
二十世纪八十年代以来,由于薄膜制备技术的发展,使得在较低的衬底温度下沉积高质量的外延或择优取向的巨磁阻薄膜和铁电薄膜成为可能,从而使薄膜工艺技术与半导体工艺技术的兼容成为可能。此外,微电子、光电子和传感器等相关技术的发展,也对巨磁阻材料、铁电材料提出了小型化、薄膜化和高集成度等更高要求,从而涌现出一大批新型功能器件。这些新型功能器件的核心是巨磁阻薄膜和铁电薄膜的异质结结构。但由于巨磁阻材料或铁电材料大多都属钙钛矿结构,因而当将它们制备在半导体衬底上时最大的问题是晶格失配、界面应力和存在很高的界面态。应力、界面缺陷和界面态将对器件可靠性产生很大的影响,容易造成器件的抗疲劳性差、耐压低等一系列问题。因而人们采用了多种方法来解决这些问题,如:采用合适的异质结制备技术、添加缓冲层、采用具有钙钛矿结构的导电金属氧化物作电极取代铂金属电极等,其中采用钙钛矿异质结构被认为是提高界面质量的最有效途径。本研究的第一项工作就是制备出低界面态和小界面应力的La<,0.8>Ca<,0.2>MnO<,3>(LCMO)/PbZr<,0.2>Ti<,0.8>O<,3>(PZT)/Si(其中LCMO为p型半导体沟道材料,PZT为栅极材料)钙钛矿型巨磁阻/铁电场效应异质结结构。
在制备特性能够完全重复LCMO/PZT/Si异质结结构的基础上,本论文系统地研究了零磁场、弱磁场和强磁场条件下LCMO巨磁阻场效应结构的电输运特性、不同频率和不同温度下的电容特性,并获得了可喜的结果。由于器件往往是在弱磁场环境下工作的,因此弱磁场下LCMO的电学行为就变得至关重要,特别是当磁场小到几千、几百,甚至几十个奥斯特时LCMO的性质在可查阅到的文献中还不多见,因而本论文工作的重点是致力于弱磁场条件下巨磁阻场异质结结构的电输运特性。本文采用对比研究的方式,研究了“强磁场、弱磁场”;“零电场和强电场”;“弱电场下加磁场和不加磁场”这三种情况下的不同温度下的巨磁阻场效应复合结构的电输运行为,以及上述三种情况下的不同温度、不同频率的电容特性。并在此基础上对巨磁阻场效复合结构的电输运现象进行了较为恰当理论分析并给出了一个初步的理论模型。