專利名稱：半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)、及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括馳豫型鐵電單晶基片(PMN-PT)作柵極和四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物(如LaCeMnO、LaSnMnO、LaHfMnO)作溝道的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)、及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
鈣鈦礦錳氧化物由于其龐磁電阻(colossal electroresistance-CMR)效應(yīng)成為近年來國際上研究的熱點(diǎn)，由于自旋、電荷和軌道自由度之間的強(qiáng)烈耦合從而表現(xiàn)出豐富的物理內(nèi)涵和有趣的物理現(xiàn)象。越來越多的事實(shí)表明鈣鈦礦錳氧化物的潛在優(yōu)勢在于用其制備磁電子學(xué)器件。鈣鈦礦氧化物除了具有超常磁電阻效應(yīng)，還表現(xiàn)出巨電場電阻、鐵電、 介電、超導(dǎo)等豐富的物理特性，因此可期望用來獲得具有多種新穎功能的實(shí)用器件。
通常情況下，對于LaMnO3,由于Mn3+-O2--Mn3+間的超交換作用表現(xiàn)出反鐵磁絕緣特性。而當(dāng)二價(jià)陽離子(如，Ca2+、Sr2+、Ba2+等)引入并部分取代La3+離子后，體系中出現(xiàn)混合價(jià)態(tài)，即Mn3+(3(14%/%1)和Mn4+(3d3:t2g3eg°)離子，這種二價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物導(dǎo)電性質(zhì)為空穴型(P型)。然而，同時(shí)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)·)，對于 LaMnO3,當(dāng)四價(jià)陽離子(如，Ce4+、Sn4+、Hf4+等)引入并部分取代La3+離子后，體系中出現(xiàn)混合價(jià)態(tài)，即Mn3+和Mn2+離子，導(dǎo)電性質(zhì)為電子型(η型)。
在PMN-PT上生長二價(jià)陽離子摻雜的空穴型鈣鈦礦錳氧化物已經(jīng)有所報(bào)道，但是生長在PMN-PT上的四價(jià)陽離子摻雜的電子型鈣鈦礦錳氧化物的研究還沒有報(bào)道，四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物和二價(jià)陽離子摻雜的空穴型鈣鈦礦錳氧化物相比表現(xiàn)出類似的磁性和磁電輸運(yùn)特點(diǎn)，但是由于其導(dǎo)電性質(zhì)為η型，具有更加豐富的物理內(nèi)涵和實(shí)際用途，例如具有和P型半導(dǎo)體組合成具有整流行為的功能異質(zhì)結(jié)的可能性，因而廣受人們的關(guān)注。
本發(fā)明給出一種磁場、電場可調(diào)控的功能場效應(yīng)結(jié)構(gòu)以馳豫型鐵電單晶基片為柵極、四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物為溝道的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)及其制備方法。馳豫型鐵電(PMN-PT)單晶基片表現(xiàn)出顯著的逆壓電特性，外加偏置電場可誘發(fā)產(chǎn)生大的應(yīng)變效應(yīng)。錳氧化物和PMN-PT具有類似的結(jié)構(gòu)和相接近的晶胞參數(shù)，因此在PMN-PT單晶基片上可外延生長鈣鈦礦錳氧化物，外加偏置電場在PMN-PT單晶基片中引起的應(yīng)變效應(yīng)可傳遞到錳氧化物薄膜中，從而改變錳氧化物的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，引起磁輸運(yùn)性質(zhì)的顯著改變。本發(fā)明給出的以四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物為溝道、以PMN-PT基片為柵極的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)因其溝道的導(dǎo)電性質(zhì)為η型，柵極具有顯著的逆壓電效應(yīng)，從而表現(xiàn)出全新的場效應(yīng)特征。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種磁場、電場可調(diào)控的功能場效應(yīng)結(jié)構(gòu)一一以馳豫型鐵電單晶基片為柵極、四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物為溝道的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)及其制備方法。
具體地，本發(fā)明的一個(gè)目的在于，提供一種以馳豫型鐵電單晶基片為柵極、四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物為溝道的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種制備本發(fā)明所述半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的方法。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，提供一種包含本發(fā)明所述半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明再一個(gè)目的在于，提供了本發(fā)明所述半導(dǎo)體場效應(yīng)在制造場效應(yīng)裝置中的應(yīng)用。
為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案
一方面，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)包括馳豫型鐵電單晶基片和形成于該鐵電單晶基片PMN-PT上的四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物，
其中，所述PMN-PT單晶基片作為柵極，在其上外延生長的所述四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物作為溝道。
優(yōu)選地，所述馳豫型鐵電單晶PMN-PT的化學(xué)通式為(1-y)I^b(Mg1Z3Nlv3)O3-(y) PbTiO3；
其中，
y的范圍是0. 2-0. 4;并且
所述馳豫型鐵電單晶的取向可為各種斜切取向，優(yōu)選為(001)、(110)或(111)，最優(yōu)選為(001)。
優(yōu)選地，所述四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物的化學(xué)通式為=RhAxMnO3is ；
其中，
R選自以下稀土元素中的一種或幾種La、Pr、Eu和Nd ；
A選自以下元素中的一種或幾種Ce、Sn和Hf ；
χ的范圍是0 < χ < 1 ；和
δ的范圍是0≤δ≤1。
優(yōu)選地，所述馳豫型鐵電單晶基片厚度為0.01-0. 5mm，并且所述四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物層的厚度為5-500nm。
優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)還包括電極，所述電極為金屬，優(yōu)選為Au或Ag。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述電極被分別蒸鍍在馳豫型鐵電單晶基片的一側(cè)和四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物的一側(cè)。
另一方面，本發(fā)明提供一種制備前述的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括以下步驟
1)按四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物的化學(xué)式配料；
2)將原材料研磨充分混合后，在800-1000攝氏度下煅燒小時(shí)，取出再次研磨、再次在同樣條件下煅燒，反復(fù)3-4次，最后在1200-1350攝氏度下燒結(jié)成靶材；
3)將制備好的靶材安裝在薄膜沉積腔內(nèi)，同時(shí)將馳豫型鐵電單晶基片超聲清洗干凈后，固定在基片架上，采用脈沖激光沉積技術(shù)在馳豫型鐵電單晶基片上外延生長四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物薄膜。
優(yōu)選地，根據(jù)所述的方法，所述脈沖激光沉積技術(shù)的操作條件為激光能量 50-800mJ,脈沖頻率1-12赫茲，背底真空度不大于1 X 10 ,沉積過程中氧氣壓力1200Pa， 腔體內(nèi)所述馳豫型鐵電單晶基片和靶之間的距離2-6cm，薄膜沉積溫度600-900攝氏度，通過控制沉積時(shí)間來控制薄膜厚度。
又一方面，本發(fā)明提供一種包含前述的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)裝置。
還一方面，本發(fā)明提供前述的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)在制造場效應(yīng)裝置中的應(yīng)用。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，提供由PMN-PT基片作為柵極、四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物作為溝道的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，其中
1)四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物的化學(xué)通式為=RhAxMnO3is ；
R為一種或者一種以上的下述稀土元素的任意組合La、ft~、Eu、Nd ；
A為一種或者一種以上的下述元素的任意組合Ce、Sn, Hf ；
χ 的范圍是0 < χ < 1 ；
δ的范圍是0彡δ彡1 ；
2)PMN-PT單晶的特征為取向?yàn)?001)或者各種斜切的取向。化學(xué)通式為(l_y) Pb (Mgl73Nb273) O3- (y) PbTiO3 (PMN-PT)；
y 的范圍是0. 2-0. 4。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，提供在PMN-PT單晶基片上外延生長四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物薄膜從而獲得以PMN-PT單晶基片為柵極、以四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物為溝道的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的方法，包括下述步驟
按RhAxMnC^i δ化學(xué)式配料，原材料為R的氧化物或其碳酸鹽、A的氧化物或其碳酸鹽、以及Mn的氧化物或其碳酸鹽。將原材料研磨充分混合后，800-1000攝氏度下煅燒 9- 小時(shí)，取出再次研磨、再次在同樣條件下煅燒，反復(fù)3-4次，最后在1200-1350攝氏度下燒結(jié)成IVxAxMnO3is靶材。
將步驟1)中制備好的靶材安裝在薄膜沉積腔內(nèi)，采用脈沖激光沉積技術(shù)在 PMN-PT單晶基片上直接生長鈣鈦礦錳氧化物薄膜。激光能量50-800mJ，脈沖頻率1_12赫茲。腔體內(nèi)基片和靶之間的距離2-6cm。薄膜沉積溫度600-900攝氏度。
PMN-PT單晶基片厚度0. 05-0. 5mm ；四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物薄膜厚度5-500nm，通過控制薄膜沉積時(shí)間來控制薄膜厚度。
以PMN-PT基片作為柵極，基片背面蒸鍍Au、Ag電極，以四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物層作為溝道，蒸鍍Au或者Ag電極作為源極和漏極，形成場效應(yīng)結(jié)構(gòu)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
本發(fā)明制備了一種由四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物、馳豫型鐵電單晶PMN-PT 構(gòu)成的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)。由于由四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物的內(nèi)稟特性具有顯著的磁調(diào)節(jié)特征，并且導(dǎo)電性質(zhì)為η型，由其生成的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)也具有磁場響應(yīng)特性，這是在普通半導(dǎo)體功能器件上無法實(shí)現(xiàn)的。另一方面，馳豫型鐵電單晶PMN-PT由于具有顯著的逆壓電效應(yīng)，偏置電場在誘導(dǎo)PMN-PT單晶產(chǎn)生極化效應(yīng)的同時(shí)也產(chǎn)生顯著的應(yīng)變效應(yīng)。外加偏置電場在PMN-PT基片中引起的應(yīng)變效應(yīng)傳遞到錳氧化物薄膜中，從而改變錳氧化物的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，引起磁輸運(yùn)性質(zhì)的顯著改變。偏置電場誘導(dǎo)的極化和應(yīng)變效應(yīng)疊加的結(jié)果可使溝道電阻發(fā)生顯著改變，從而獲得具有顯著磁場、電場可調(diào)特性的新型功能場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，由于四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物具有η型導(dǎo)電性質(zhì)，能帶結(jié)構(gòu)不同于ρ型，以其為溝道的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出全新的場效應(yīng)特征。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方案，其中
圖1 為本發(fā)明實(shí)施例中制備的(001)-0. 7Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-O. 3PbTiO3(PMN-PT) / La0.7Ce0.3Μη03場效應(yīng)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，PMN-PT基片厚度0. Imm,長5_，寬3mm ； La0 7Ce0 3MnO3 薄膜厚度160nm。這里，以 PMN-PT 為柵極，Leiq.7CeQ.3Μη03 為溝道。PMN-PT 背面蒸鍍Au電極(厚度1 μ m)，接?xùn)艠O弓I線，La0.7Ce0.3Μη03蒸鍍Au電極(厚度1 μ m)，分別接源極、漏極引線。實(shí)驗(yàn)過程中，電路中引入20ΜΩ電阻作為保護(hù)電阻。
圖2 為本發(fā)明實(shí)施例中制備的(001)-0. 7Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-O. 3PbTi03(P麗_PT) / La0.7Ce0.3Mn03室溫下的χ射線衍射(XRD)譜線，可以發(fā)現(xiàn)，除了(OOl)-PMN-PT和 La0.7Ce0.3Mn03的衍射峰以外，沒有其它峰出現(xiàn)。表明I^a7Cea3MnO3薄膜為單相并且外延生長在(OOl)-PMN-PT表面上。
圖3 為本發(fā)明實(shí)施例中制備的(001)-0. 7Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-O. 3PbTi03(P麗_PT) / La0.7Ce0.3Μη03在5000e磁場下測量的磁化強(qiáng)度_溫度(M-T)曲線，和電阻-溫度(R-T)曲線。 可以看出IA1.7Ce(l.3Mn03呈現(xiàn)鐵磁性(基片PMN-PT不具有鐵磁性特征)，在居里溫度(Tc)處出現(xiàn)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變TIM/TC =Tc以下呈現(xiàn)鐵磁金屬行為，Tc以上呈現(xiàn)順磁半導(dǎo)體行為。低溫區(qū)出現(xiàn)電荷軌道有序轉(zhuǎn)變T·，伴隨第2個(gè)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變TmiAkm的出現(xiàn)。
圖4 為本發(fā)明實(shí)施例中制備的(001)-0. 7Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-O. 3PbTi03(P麗_PT) / !^^(^.^!!(^在不同偏置電場、不同磁場下的電阻-溫度(R-T)曲線。可以看出，外加電場、 磁場均顯著影響溝道層IAl7Ce5a3MnO3的電輸運(yùn)特征，電阻值隨電場、磁場改變。外加偏置電場基本上不移動(dòng)TIM/Te和ΤΜΙ/Τ·的位置，但是外加磁場可使TIM/Te向高溫移動(dòng)，同時(shí)使Tmi/ Tcoo向低溫移動(dòng)。
圖5 為本發(fā)明實(shí)施例中制備的(001)-0. 7Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-O. 3PbTi03(P麗_PT) / Laa7Cea3MnO3外加偏置電場、磁場引起的電阻變化率(AR/R)隨溫度的依賴關(guān)系?？梢钥闯鯝R/R在居里溫度TIM/TC附近達(dá)到最大。在只加偏置電場不加磁場的情況下，AR/R在 12KV/cm的偏置電場、20 溫度下達(dá)到7. 2% (圖5a)；在同時(shí)施加偏置電場和磁場的情況下，AR/R在12KV/cm的偏置電場、5T磁場、20 溫度下達(dá)到43% (圖5b)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例(001)-0.7Pb (Mgl73Nb273) O3-O. SPbTiO3(P^-PT)ZLaci 7Ceci 3MnO3 場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的制備
按化學(xué)式制備Ia1. 7Ce0.3Μη03鈣鈦礦錳氧化物，具體步驟如下
1)按Leiq. 7Ce0.3Μη03化學(xué)式配料，原材料為Lei2O3, CeO2, MnCO3 (MnCO3在煅燒過程中分解，C形成(X)2后隨空氣流走)。經(jīng)配比后的原材料充分研磨混合后在900攝氏度下煅燒 24小時(shí)。取出后在相同條件下再研磨、再煅燒反復(fù)3次，之后在1300攝氏度下燒結(jié)48小時(shí)制備出直徑40mm、厚5mm的Liia7Cea3MnO3靶材。
2)從市場上(合肥科晶材料技術(shù)有限公司)購買(001)取向的0. 7Pb (Mgl73Nb273)O3-O. 3PbTi0s (PMN-PT)單晶基片(厚度為0. 1mm)。沉積前將PMN-PT基片超聲清洗干凈后， 固定在基片架上。3)將步驟1)中制備好的Ia1. 7Ce0.3Μη03靶材和步驟2)中的載有PMN-PT的基片架安裝在薄膜沉積腔內(nèi)，采用脈沖激光沉積技術(shù)(參考文獻(xiàn)Pulsed Laser Deposition of Thin Films, edited by Douglas B. Chrisey and Graham K. Hubler, John Wiley & Sons, 1994.本發(fā)明使用的脈沖激光沉積系統(tǒng)，是自己設(shè)計(jì)由中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司生產(chǎn)的)在(001)取向的0. 7Pb (Mgl73Nb273)O3-O. 3PbTiO3(PMN-PT)單晶基片上生長LEta7Cea3MnO3薄膜。激光能量350mJ，脈沖頻率3赫茲。背底真空度1 X 10_4Pa，沉積過程中氧氣壓力80Pa，腔體內(nèi)基片和靶之間的距離4. 5cm。薄膜沉積溫度730攝氏度。待 La0.7Ce0.3Mn03薄膜厚度達(dá)到160nm時(shí)沉積結(jié)束，之后在5 X 104 氧氣氣氛下冷卻到室溫。4)以PMN-PT基片作為柵極，在基片背面利用小型離子濺射儀(北京和同創(chuàng)業(yè)科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)，型號JS-1600)蒸鍍Au電極(厚度1微米)，以IAl7Ci5a3MnO3作為溝道，蒸鍍Au作為源極和漏極(厚度1微米)，從而形成半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)。對制得的半導(dǎo)體場結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行了一系列的測試，結(jié)果顯示在以下的圖1-5中圖 1 為(001)-0. 7Pb (Mgl73Nb273) O3-O. 3PbTi0s (PMN-PT) /La0.7Ce0.3Μη03 場效應(yīng)結(jié)構(gòu)示意圖。PMN-PT基片厚度0. 1讓，長5讓，寬:3mm ^Etci 7Ceci 3MnO3薄膜厚度:160nm。這里， 以PMN-PT為柵極，Ia1. 7Ce0.3Μη03為溝道。PMN-PT背面蒸鍍Au電極(厚度1 μ m)，接?xùn)艠O弓丨線，I^7Cea3MnO3蒸鍍Au電極(厚度Iym)，分別接源極、漏極引線。實(shí)驗(yàn)過程中，電路中引入20ΜΩ電阻作為保護(hù)電阻。圖 2 為(001) -0. 7Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-O. 3PbTi0s (PMN-PT) /La0.7Ce0.3Μη03 室溫下的 χ 射線衍射(XRD)譜線(利用Cu靶X射線衍射儀測量，Rigaku公司生產(chǎn)，型號RINTM00)， 可以發(fā)現(xiàn)，除了(OOl)-PMN-PT和IAl7Ci5a3MnO3的衍射峰以外，沒有其它峰出現(xiàn)。表明 La0.7Ce0.3Mn03薄膜為單相并且外延生長在(001)-P麗-PT表面上。圖 3 為(001) -0. 7Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-O. 3PbTi0s (PMN-PT) /La0.7Ce0.3Μη03 在 5000e 磁場下測量的磁化強(qiáng)度-溫度(M-T)曲線，和電阻-溫度(R-T)曲線(測量儀器商品名超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)-SQUID，廠商名Quantum Design, USA，商品型號MPMS_7)。可以看出 IAl7Cea3MnO3呈現(xiàn)鐵磁性(基片PMN-PT不具有鐵磁性特征)，在居里溫度(Tc)處出現(xiàn)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變TIM/TC =Tc以下呈現(xiàn)鐵磁金屬行為，Tc以上呈現(xiàn)順磁半導(dǎo)體行為。低溫區(qū)出現(xiàn)電荷軌道有序轉(zhuǎn)變T·，伴隨第2個(gè)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變TmiAkm的出現(xiàn)。圖 4 為(001)-0. 7Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-O. 3PbTi0s (PMN-PT) /La0.7Ce0.3Μη03 在不同偏置電場、不同磁場下的電阻-溫度(R-T)曲線。可以看出，外加電場、磁場均顯著影響溝道層 La0.7Ce0.3Mn03的電輸運(yùn)特征，電阻值隨電場、磁場改變。外加偏置電場基本上不移動(dòng)TIM/TC 和ΤΜΙ/Τ·的位置，但是外加磁場可使TIM/Te向高溫移動(dòng)，同時(shí)使ΤΜΙ/Τ·向低溫移動(dòng)。圖 5 為(001)-0. 7Pb (Mgl73Nb273) O3-O. 3PbTi0s (PMN-PT) /La0.7Ce0.3Μη03 外加偏置電場、磁場引起的電阻變化率(AR/R)隨溫度的依賴關(guān)系?？梢钥闯鯝R/R在居里溫度TIM/TC 附近達(dá)到最大。只加偏置電場不加磁場的情況下，AR/R在12KV/cm的偏置電場、20 溫度下達(dá)到7. 2% (圖5a)；同時(shí)施加偏置電場和磁場的情況下，AR/R在12KV/cm的偏置電場、 5T磁場、205K溫度下達(dá)到43% (圖5b)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)包括馳豫型鐵電單晶基片和形成于該鐵電單晶基片上的四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物，其中，所述單晶基片作為柵極，在其上外延生長的所述四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物作為溝道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，其化學(xué)通式為(l_y) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-(y) PbTiO3;其中，y的范圍是0. 2-0. 4;并且所述馳豫型鐵電單晶的取向可為各種斜切取向，優(yōu)選為(001)、(110)或(111)，最優(yōu)選為(001)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物的化學(xué)通式為=RhAxMnO3is ；其中，R選自以下稀土元素中的一種或幾種La、Pr、Eu和Nd ；A選自以下元素中的一種或幾種Ce、Sn和Hf ；χ的范圍是0 < χ < 1 ；和δ的范圍是0彡δ彡1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述馳豫型鐵電單晶基片厚度為0. 01-0. 5mm,并且所述四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物層的厚度為 5_500nmo
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)還包括電極，所述電極為金屬，優(yōu)選為Au或Ag。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電極被分別蒸鍍在馳豫型鐵電單晶基片的一側(cè)和四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物的一側(cè)。
7.一種制備權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟1)按四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物的化學(xué)式IVxAxMnO3is配料χ的范圍是0< χ < 1，δ的范圍是0彡δ彡1 ；2)將原材料研磨充分混合后，在800-1000攝氏度下煅燒9- 小時(shí)，取出再次研磨、再次在同樣條件下煅燒，反復(fù)3-4次，最后在1200-1350攝氏度下燒結(jié)成靶材；3)將制備好的靶材安裝在薄膜沉積腔內(nèi)，同時(shí)將馳豫型鐵電單晶基片超聲清洗干凈后，固定在基片架上，采用脈沖激光沉積技術(shù)在馳豫型鐵電基片上外延生長四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述脈沖激光沉積技術(shù)的操作條件為激光能量50-800mJ，脈沖頻率1-12赫茲，背底真空度不大于1 X 10_3Pa，沉積過程中氧氣壓力 1200Pa，腔體內(nèi)所述馳豫型鐵電單晶基片和靶之間的距離2-6cm，薄膜沉積溫度600-900攝氏度，通過控制沉積時(shí)間來控制薄膜厚度。
9.一種包含權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)裝置。
10.權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)在制造場效應(yīng)裝置中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以馳豫型鐵電單晶基片PMN-PT為柵極和形成于該單晶基片上的四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物為溝道的半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，及其制備方法和用途。由于馳豫型鐵電單晶PMN-PT具有顯著的逆壓電效應(yīng)，偏置電場誘導(dǎo)的極化和應(yīng)變效應(yīng)共同作用的結(jié)果可使生長在其上的溝道電阻發(fā)生顯著改變，從而獲得具有顯著磁場、電場可調(diào)節(jié)特性的新型功能場效應(yīng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于四價(jià)陽離子摻雜的鈣鈦礦錳氧化物具有n型導(dǎo)電性質(zhì)，能帶結(jié)構(gòu)不同于p型，以其為溝道的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出全新的場效應(yīng)特征。
文檔編號C23C14/08GK102544093SQ20101059348
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者孫繼榮, 沈保根, 王晶, 胡鳳霞, 陳嶺 申請人:中國科學(xué)院物理研究所