毛田田，廖锡龙，杨云龙，荔 静，熊昌民，王登京

(1.武汉科技大学理学院，湖北 武汉，430065；2.北京师范大学物理学系，北京，100875)

III-V族半导体衬底薄膜材料因其具有良好的光电子和高移动性的传输性质，在微电子、光电子等重要领域有非常广泛的应用，是现代信息产业的基础材料之一。钙钛矿结构氧化物由于其具有铁磁性、铁电性、压电性、热电性、超导性和非线性光学效应等诸多性质在近年来受到广泛关注[1-3]。如何把这两种材料耦合起来，构成性能更加优异的光电功能材料是目前研究的热点。

钙钛矿结构氧化物可以用ABO3来表示，A位为稀土元素， B 位为过渡元素，阳离子B与六个氧离子构成八面体配位。铝酸镧(LaAlO3，LAO)是钙钛矿结构氧化物中的一个典型代表，晶格常数为0.3821 nm，与大多数功能氧化物匹配良好，所以铝酸镧与钛酸锶(SrTiO3，STO)一样也经常被用作各种功能氧化物材料的衬底。LAO与STO 本身就有很高的研究价值，自2004年美国贝尔实验室的Ohtomo等[4]在LaAlO3/SrTiO3界面观察到具有高迁移率的二维电子气(2DEG)以来，LaAlO3/SrTiO3界面的物理现象引起众多研究者的关注。

砷化镓(GaAs)是第二代半导体中的代表，具有直接带隙、闪锌矿结构，其晶格常数为0.565 nm。砷化镓电子迁移率比硅大5～6倍，在微波器件和高速数字电路方面有重要应用；它还可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料，用于光电导开关、集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。因此，在砷化镓基片上外延生长钙钛矿结构氧化物具有很高的研究和应用价值。

目前，半导体集成技术日趋成熟，随着半导体衬底薄膜制备技术的提高，功能氧化物材料与半导体的集成成为可能，在不同取向的硅基片上外延生长钙钛矿氧化物已经实现[5]。对STO/GaAs异质界面的研究有十年之久[6-12]，Liang等[6]使用分子束外延(MBE)方法将STO薄膜外延沉积在GaAs(001)上，研究表明可以在砷化镓上生长钙钛矿氧化物外延；Klie等[7]使用扫描透射电子显微镜(STEM)在原子分辨率下进行STO/GaAs界面表征；Hong等[13]利用第一性原理计算，对STO/GaAs界面的稳定性及导电性进行研究，发现STO/GaAs界面存在电子型导电层。

1 试验过程

2 结果与讨论

2.1 LAO/GaAs异质结界面处电输运特性

通过VASP软件包建立LAO/GaAs异质结界面处的晶格结构模型如图1所示。从图1中可以看出，LAO与GaAs有很好的晶格匹配度(晶格失配度为4.3%)，但当两者通过旋转构成界面时界面处会出现缺陷，比如有悬空的氧离子，使得LAO/GaAs界面处产生新的电学性质。

(a)立体结构 (b)横截面

图1LAO/GaAs异质结界面处的晶格结构模型

Fig.1LatticestructuremodelsofLAO/GaAsheterojunctioninterface

LAO/GaAs异质结薄膜的AFM照片如图2所示。从图2中LAO/GaAs异质结薄膜的二维、三维结构可以看出，沉积的LAO/GaAs薄膜表面比较光滑平整，粗糙度较低，其方均根粗糙度仅为0.86 nm，由此表明， LAO在GaAs表面生长均匀，薄膜质量较高。

(a)二维结构

(b)三维结构

LAO/GaAs异质结薄膜的XRD图谱如图3所示。从图3中可以看到两个明显的单晶衍射峰，最强峰为出现在2θ为67°附近的GaAs(400)峰，其次LAO(110)峰位也比较明显，出现在2θ为32°附近；LAO(110)与GaAs(200)非常接近，与GaAs(400)峰相比，GaAs的(200)峰位很弱，约为GaAs(400)峰的1/70，因此GaAs(200)被LAO(110)峰位所覆盖。由此表明，LAO沿(110)方向生长，即LAO沿GaAs衬底旋转45°的方向生长。

图3 LAO/GaAs异质结薄膜的XRD图谱

采用Van der Pauw方法通过PPMS-9系统分别测试LAO/GaAs异质结薄膜的面电阻以及经过相同工艺处理的GaAs衬底的表面电阻，发现GaAs衬底的电阻率太大而无法测量，表明GaAs衬底对LAO/GaAs异质结薄膜电学测量结果产生影响极小，可忽略不计，所测得的电导主要来自于LAO/GaAs界面。在较低温度下，由于LAO/GaAs异质结的电阻率太大，所测量的电阻值不稳定，因此只分析了温度为150 K以上的数据。图4为LAO/GaAs异质结的面内电阻(RXX)随温度的变化曲线。从图4中可看出，LAO/GaAs异质结的电阻随温度上升而逐渐单调减小。

图4LAO/GaAs异质结的面内电阻(RXX)随温度的变化曲线

Fig.4Variationofsheetresistance(RXX)ofLAO/GaAsheterojunctionwithtemperature

在不同温度下LAO/GaAs样品的霍尔电阻随磁场强度的变化曲线如图5所示。从图5中可以看出，不同温度下LAO/GaAs样品的霍尔电阻(RXY)与施加的磁场强度呈线性相关，符合霍尔电阻与磁场的关系公式，即

(1)

图5 LAO/GaAs样品的霍尔电阻随磁场强度的变化曲线

Fig.5VariationofHallresistanceofLAO/GaAssamplewithmagneticfield

式中:B为磁感应强度，T；e为单个载流子所带电荷量，C；n为载流子浓度，m-3；d为导电层厚度，m;1/ne为霍尔系数，m3C-1，该系数若为正，表明样品的导电行为是空穴型导电，若为负则其导电行为为电子型导电。

从图5中还可以看出， 在测量温度区间内，RXY-H曲线的斜率为正值，表明其霍尔系数为正，则LAO/GaAs异质结中载流子类型是空穴型的，由此表明，在LAO/GaAs异质结界面存在空穴型导电行为。

2.2 LAO / GaAs异质结中界面处的空穴来源分析

尽管在传统的半导体异质结中存在很多界面空穴导电层的案例，但迄今为止还没有关于钙钛矿氧化物基异质结中类似的空穴导电界面的报道。本文对LAO/GaAs异质结中界面处的空穴型载流子的来源从以下几个方面进行分析：

(1)GaAs真空退火效应。有研究表明，GaAs真空退火的温度高于1000 ℃时，会形成空穴导电[14-15]，而本试验中样品制备温度仅为680 ℃，远低于1000 ℃，因此空穴型载流子与GaAs真空退火效应无关，而且在试验过程中，在相同的温度下对GaAs进行退火处理时，发现其电阻极大而无法测试，所以可以排除高温真空退火对GaAs电学性能造成的影响。

(2)由热扩散引起的界面原子的掺杂效应。相关研究人员提出，LaAlO3中的La3+扩散到SrTiO3晶格中并取代Sr2+[16-17]，导致LaAlO3/SrTiO3异质结界面处的2DEG。 然而，对于LAO/GaAs异质结，La3+、Al3+和Ga3+具有相似的电子结构，它们没有额外的价电子和自由能级成为施主或受主，也就是说，即使离子在界面处扩散，也不应该导致电子或空穴载流子，由此表明，掺杂效应对LAO/GaAs界面上的空穴型导电行为没有显著贡献。

(3)空穴来源于界面处氧离子的悬空键效应。在传统的半导体异质结中，界面处的悬空键是导致载流子的常见方式，而在LAO/GaAs界面处，由于LAO与GaAs衬底之间的晶体结构并不完全匹配，氧离子处于悬空状态，周围缺少与其成键的La、Al等原子，可能导致氧最外层轨道失去电子，形成氧空位。在这里选取以LaO-As方式结合时LAO/GaAs异质结界面处悬空氧的电子得失情况进行说明。通过第一性原理计算和VASP软件包模拟得出LAO/GaAs异质结(以LaO-As方式结合)界面处各个原子的电子得失情况，如图6所示，其中蓝色代表是失电子，红色代表得电子。从图6中可以看出，界面处的三个氧原子向下失电子严重，界面处氧原子极可能失电子形成O1-，即使O1-从Al等原子处得到部分电子补偿，也会造成其它原子失去电子造成空穴转移。由此可以推断，界面处空穴载流子最有可能是悬空的氧离子等晶格缺陷造成的。

(a)晶格平面结构 (b) 原子的电子得失情况

图6VASP模拟LAO/GaAs异质结界面处原子电荷状态

Fig.6InterfacialatomicchargeofLAO/GaAsheterojunctioninterfacebyVASPsimulation

综上分析，LAO/GaAs异质结界面处存在空穴型载流子可能是界面处存在悬空的氧离子等晶格缺陷所造成的。

3 结论

(1)采用脉冲激光沉积法外延生长LaAlO3/GaAs异质结， LaAlO3在GsAs 单晶衬底上旋转45°实现外延生长，且LaAlO3在GaAs表面生长均匀。

(2)LaAlO3/GaAs异质结界面处存在空穴型的导电行为。

(3)LaAlO3/CaAs异质结界面处的空穴型载流子可能是界面处存在悬空的氧离子等晶格缺陷所造成的。