含铁尖晶石氧化物/SiC异质结紫外侧向光伏效应研究

【摘要】：过渡金属氧化物(Transition metal oxides,TMOs)作为地球上含量最多的材料,种类众多,由于其独有的磁性、半导体性和介电性能使得其在信息存储、能源和微波器件等方面应用很广。其中含铁尖晶石氧化物中由于复杂的晶格结构和变价离子的分布,使得其在自旋逻辑器件、电化学能源材料和半导体材料领域上备受注目,并在小型化电子器件、高能量密度存储和清洁能源领域有着巨大的应用价值。但是,大多数的尖晶石氧化物的电学绝缘性质限制了其在半导体领域以及其在光电器件上的应用。本论文研究非化学计量比下的含铁尖晶石氧化物的奇异半导体性质和半金属性,并研究其异质结的侧向光伏效应,以及该效应在光电功能器件上的应用。并结合宽带隙半导体SiC,研究氧化物/半导体异质结在新型紫外光电传感器的制备和光电响应特性,以实现简单制备且具有高性价比的SiC基光电探测器。首先,研究半金属性的尖晶石氧化物Fe_3O_4薄膜的侧向光伏效应。利用脉冲激光沉积技术得到半金属性Fe_3O_4外延薄膜,所形成的Fe_3O_4/3C-SiC类Schottky结的整流特性表明着界面存在着内建电场,而非线性横向I-V曲线和奇异的电阻-温度变化关系说明了在SiC表面存在着反型层。该异质结在蓝紫光激发下表现出高响应的侧向光伏效应,特征位置灵敏度高达67.8 m V mm-1,其弛豫时间约为30μs。此外,其薄膜的磁电阻MR表现出对外加偏压和磁场角度的依赖性,且在实验中观测到了在300 K和500 Oe外磁场下的放大型负磁电阻约为-4%,进一步证明了界面反型层的存在。其异质结的高位置灵敏度和超快弛豫时间使得Fe_3O_4/3C-SiC可以作为近紫外/紫外光电位敏传感器件的理想候选材料。其次,研究不同生长氧分压下的尖晶石NiFe_2O_4的半导体性质和其异质结的紫外光伏特性。生长氧分压的变化导致了得到的NiFe_2O_4外延薄膜的Ni/Fe原子比的变化:随着Fe含量的增多,其直流电阻变化了4个数量级,光学带隙从2.25到2.71 e V可调变化;特别注意的是,晶体中四面体Fe空位的NiFe_2O_4表现出显著的p型半导体性质,并被第一性原理计算和电磁学测试得以证明。实验中在紫外单色激光266nm激发下,观测到了灵敏度很高的侧向光伏响应,光生空穴在界面反型层中的侧向输运使得其灵敏度和时间上升沿分别是103m V mm-1和1.14μs。在不同宽带隙半导体衬底所构成的异质结的紫外侧向光伏响应的巨大差别和其电阻态的巨大变化,在实验上证明了光生载流子是在界面反型层中扩散的。此外,该氧化物异质结的纵向紫外光伏响应表现出在零偏压下的高响应度(3.2 m AW-1)、大开关比和超快时间响应(152 ns),其时间响应与之前的相关报道比较快了约4个数量级。这为研究新型p型半导体材料提供了思路,并为制备结构简单、兼有高响应度和超快时间响应的紫外光电(位敏)传感器提供了新的实验方案。最后,研究了非化学计量比的金属离子分布下FeAl_2O_4尖晶石相氧化物薄膜的强紫外侧向光伏效应。生长氧分压的巨大变化使得Fe/Al离子的平均自由程发生变化,实验中得到了非化学计量比的FeAl_2O_4外延薄膜,并研究了其与半导体SiC结合时在热平衡下的能级排布。XPS价带谱和电化学测试说明了随着Fe含量的增加,其电导率下降迅速,而且FeAl_2O_4表现出从p型到n型转变的半导体性质,这说明含Fe尖晶石氧化物中氧四面体内Fe离子对其价带位置的调控起着决定性作用。实验中观测到了高达210.7 m V mm-1的侧向光伏位置灵敏度和仅仅0.86μs的时间上升沿。