半导体场效应结构、及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种以驰豫型铁电单晶基片PMN-PT为栅极和形成于该单晶基片上的四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物为沟道的半导体场效应结构，及其制备方法和用途。由于驰豫型铁电单晶PMN-PT具有显著的逆压电效应，偏置电场诱导的极化和应变效应共同作用的结果可使生长在其上的沟道电阻发生显著改变，从而获得具有显著磁场、电场可调节特性的新型功能场效应结构。同时，由于四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物具有n型导电性质，能带结构不同于p型，以其为沟道的场效应结构表现出全新的场效应特征。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种包括驰豫型铁电单晶基片(PMN-PT)作栅极和四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物(如LaCeMnO、LaSnMnO、LaHfMnO)作沟道的半导体场效应结构、及其制备方法和用途。
技术介绍
钙钛矿锰氧化物由于其庞磁电阻(colossal electroresistance-CMR)效应成为近年来国际上研究的热点，由于自旋、电荷和轨道自由度之间的强烈耦合从而表现出丰富的物理内涵和有趣的物理现象。越来越多的事实表明钙钛矿锰氧化物的潜在优势在于用其制备磁电子学器件。钙钛矿氧化物除了具有超常磁电阻效应，还表现出巨电场电阻、铁电、 介电、超导等丰富的物理特性，因此可期望用来获得具有多种新颖功能的实用器件。通常情况下，对于LaMnO3,由于Mn3+-O2--Mn3+间的超交换作用表现出反铁磁绝缘特性。而当二价阳离子(如，Ca2+、Sr2+、Ba2+等)引入并部分取代La3+离子后，体系中出现混合价态，即Mn3+(3(14%/%1)和Mn4+(3d3:t2g3eg°)离子，这种二价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物导电性质为空穴型(P型)。然而，同时有研究表明(C. Mitra, et al，Phys. Rev. Lett. 90， 017202(2003) ;J. Gao, et al, Phys. Rev. B 67,153403(2003) ；L. Wang, et al, J. App 1. Phys. 105，07E514(2009)·)，对于 LaMnO3,当四价阳离子(如，Ce4+、Sn4+、Hf4+等)引入并部分取代La3+离子后，体系中出现混合价态，即Mn3+和Mn2+离子，导电性质为电子型(η型)。在PMN-PT上生长二价阳离子掺杂的空穴型钙钛矿锰氧化物已经有所报道，但是生长在PMN-PT上的四价阳离子掺杂的电子型钙钛矿锰氧化物的研究还没有报道，四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物和二价阳离子掺杂的空穴型钙钛矿锰氧化物相比表现出类似的磁性和磁电输运特点，但是由于其导电性质为η型，具有更加丰富的物理内涵和实际用途，例如具有和P型半导体组合成具有整流行为的功能异质结的可能性，因而广受人们的关注。本专利技术给出一种磁场、电场可调控的功能场效应结构以驰豫型铁电单晶基片为栅极、四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物为沟道的场效应结构及其制备方法。驰豫型铁电(PMN-PT)单晶基片表现出显著的逆压电特性，外加偏置电场可诱发产生大的应变效应。锰氧化物和PMN-PT具有类似的结构和相接近的晶胞参数，因此在PMN-PT单晶基片上可外延生长钙钛矿锰氧化物，外加偏置电场在PMN-PT单晶基片中引起的应变效应可传递到锰氧化物薄膜中，从而改变锰氧化物的能带结构和带隙，引起磁输运性质的显著改变。本专利技术给出的以四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物为沟道、以PMN-PT基片为栅极的场效应结构因其沟道的导电性质为η型，栅极具有显著的逆压电效应，从而表现出全新的场效应特征。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种磁场、电场可调控的功能场效应结构一一以驰豫型铁电单晶基片为栅极、四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物为沟道的场效应结构及其制备方法。具体地，本专利技术的一个目的在于，提供一种以驰豫型铁电单晶基片为栅极、四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物为沟道的半导体场效应结构。本专利技术的另一个目的在于，提供一种制备本专利技术所述半导体场效应结构的方法。本专利技术的又一个目的在于，提供一种包含本专利技术所述半导体场效应结构的半导体装置。本专利技术再一个目的在于，提供了本专利技术所述半导体场效应在制造场效应装置中的应用。为实现以上专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案一方面，本专利技术提供了一种半导体场效应结构，所述半导体场效应结构包括驰豫型铁电单晶基片和形成于该铁电单晶基片PMN-PT上的四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物，其中，所述PMN-PT单晶基片作为栅极，在其上外延生长的所述四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物作为沟道。优选地，所述驰豫型铁电单晶PMN-PT的化学通式为(1-y)I^b(Mg1Z3Nlv3)O3-(y) PbTiO3；其中，y的范围是0. 2-0. 4;并且所述驰豫型铁电单晶的取向可为各种斜切取向，优选为(001)、(110)或(111)，最优选为(001)。优选地，所述四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物的化学通式为=RhAxMnO3is ；其中，R选自以下稀土元素中的一种或几种La、Pr、Eu和Nd ；A选自以下元素中的一种或几种Ce、Sn和Hf ；χ的范围是0 < χ < 1 ；和δ的范围是0≤δ≤1。优选地，所述驰豫型铁电单晶基片厚度为0.01-0. 5mm，并且所述四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物层的厚度为5-500nm。优选地，所述半导体场效应结构还包括电极，所述电极为金属，优选为Au或Ag。进一步优选地，所述电极被分别蒸镀在驰豫型铁电单晶基片的一侧和四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物的一侧。另一方面，本专利技术提供一种制备前述的半导体场效应结构的方法，所述方法包括以下步骤1)按四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物的化学式配料；2)将原材料研磨充分混合后，在800-1000摄氏度下煅烧小时，取出再次研磨、再次在同样条件下煅烧，反复3-4次，最后在1200-1350摄氏度下烧结成靶材；3)将制备好的靶材安装在薄膜沉积腔内，同时将驰豫型铁电单晶基片超声清洗干净后，固定在基片架上，采用脉冲激光沉积技术在驰豫型铁电单晶基片上外延生长四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物薄膜。优选地，根据所述的方法，所述脉冲激光沉积技术的操作条件为激光能量 50-800mJ,脉冲频率1-12赫兹，背底真空度不大于1 X 10 ,沉积过程中氧气压力1200Pa， 腔体内所述驰豫型铁电单晶基片和靶之间的距离2-6cm，薄膜沉积温度600-900摄氏度，通过控制沉积时间来控制薄膜厚度。又一方面，本专利技术提供一种包含前述的半导体场效应结构的场效应装置。还一方面，本专利技术提供前述的半导体场效应结构在制造场效应装置中的应用。根据一个优选的实施方案，提供由PMN-PT基片作为栅极、四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物作为沟道的场效应结构，其中1)四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物的化学通式为=RhAxMnO3is ；R为一种或者一种以上的下述稀土元素的任意组合La、ft~、Eu、Nd ；A为一种或者一种以上的下述元素的任意组合Ce、Sn, Hf ；χ 的范围是0 < χ < 1 ；δ的范围是0彡δ彡1 ；2)PMN-PT单晶的特征为取向为(001)或者各种斜切的取向。化学通式为(l_y) Pb (Mgl73Nb273) O3- (y) PbTiO3 (PMN-PT)；y 的范围是0. 2-0. 4。根据本专利技术的另一个优选的实施方案，提供在PMN-PT单晶基片上外延生长四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物薄膜从而获得以PMN-PT单晶基片为栅极、以四价阳离子掺杂的钙钛矿锰氧化物为沟道的场效应结构的方法，包括下述步骤按RhAxMnC^i δ化学式配料，原材料为R的氧化物或其碳酸盐、A的氧化物或其碳酸盐、以及Mn的氧化物或其碳酸盐。将原材料研磨充分混合后，800-1000摄氏度下煅烧 9- 小时，取出再次研磨、再次在同样条件下煅烧，反复3-4次，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡凤霞，王晶，陈岭，沈保根，孙继荣，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：