一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的铝酸镧/钛酸锶异质结及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的LaAlO3/SrTiO3异质结及其制备方法和应用。该LaAlO3/SrTiO3异质结以SrTiO3为衬底，通过激光分子束外延生长方法在SrTiO3衬底表面制备LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层。制备的量子阱结构的LaAlO3/SrTiO3异质结具有高载流子浓度(≥10

A Lanthanum Aluminate/Strontium Titanate Heterojunction with High Carrier Concentration and High Electron Mobility and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的铝酸镧/钛酸锶异质结及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种LaAlO3/SrTiO3异质结材料，具体涉及一种具有LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构的外延层的LaAlO3/SrTiO3异质结材料以及通过激光分子束外延法制备LaAlO3/SrTiO3异质结材料的方法，还涉及LaAlO3/SrTiO3异质结材料用于制备具有高载流子浓度和高电子迁移率晶体管的方法，属于半导体

技术介绍
LaAlO3(LAO)与SrTiO3(STO)均为钙钛矿结构的宽禁带绝缘体，LAO为极性材料，STO为非极性材料，由于LAO与STO两者界面处的极化不连续，观察到了界面导电性即二维电子气现象。通过对界面电子的调控技术，采用不同的制备工艺，有望得到大幅度提升的载流子浓度和电子迁移率的LaAlO3/SrTiO3异质结，为晶体管和电子自旋器件等电子器件的应用打下了基础。通常报道的LaAlO3/SrTiO3异质结，在其界面处的电子迁移率为～103cm2/Vs，载流子浓度为1013～1014cm-2。为了提升界面的电子迁移率，人们采用了不同的工艺，包括控制缺陷散射、表面控制、掺杂调控，甚至是采用不同参数的生长工艺去制备LAO外延层，虽然这些工艺在一定程度上提升了电子迁移率，但到目前为止，最高报导的电子迁移率依然只为104cm2/Vs，然而其载流子浓度普遍较低，仅为1012～1013cm-2，难以满足晶体管和电子自旋器件等电子器件的应用。
技术实现思路
针对现有的LaAlO3/SrTiO3异质结普遍存在载流子浓度和电子迁移率较低，难以满足晶体管和电子自旋器件等电子器件的应用的缺陷，本专利技术的第一个目的是在于提供一种具有LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层的的LaAlO3/SrTiO3异质结，其同时具有高载流子浓度和高电子迁移系数。本专利技术的第二个目的是在于提供一种操作简单、成本低的制备LaAlO3/SrTiO3异质结的方法。本专利技术的第三个目的是在于提供一种LaAlO3/SrTiO3异质结的应用，将其进行简单光刻胶工艺加工可以获得同时具有高载流子浓度和高电子迁移系数的晶体管。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的LaAlO3/SrTiO3异质结，其包括衬底及其表面的外延层；所述外延层具有LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构。本专利技术提供的LaAlO3/SrTiO3异质结具有LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层，同时具有高载流子浓度和高电子迁移系数，能够很好地满足晶体管等电子器件的应用需求。优选的方案，所述外延层的总厚度为10nm～0.5μm；包含至少5个交替叠加的LaAlO3薄层与SrTiO3薄层。每个LaAlO3薄层与SrTiO3薄层的厚度约为1nm。优选的方案，所述衬底为晶体学取向为(100)或(111)或(110)的SrTiO3。选择合适的晶体学取向有利于实现较好的外延生长。本专利技术还提供了一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的LaAlO3/SrTiO3异质结的制备方法，该方法是将衬底进行表面清洁处理后，通过激光分子束外延法在衬底表面生成LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层，冷却至室温，即得。优选的方案，所述衬底表面采用有机醇类溶剂超声清洗5～10分钟至表面干净。优选的方案，通过激光分子束外延法在衬底表面生成LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层的条件：温度为700℃～900℃，氧气氛围压力为10-8Torr～10-1Torr，激光能量为0.8J/cm2～2.5J/cm2，激光频率为1Hz～10Hz，衬底离靶材的距离为2～15cm。优选的温度为800℃。优选的氧气氛围压力为10-7Torr～10-3Torr，更优选为10-6Torr。优选的激光能量为1.2J/cm2～2.0J/cm2更优选为1.5J/cm2。优选的激光频率为1Hz～5Hz,更优选为2Hz。优选的衬底离靶材的距离为5～10cm，更优选为5cm。本专利技术通过控制温度及气氛等条件获得高质量的外延层，如温度过高或过低会降低结晶性，而氧氛围不在优选范围内容易产生缺陷。优选的方案，所述冷却过程中降温速率为10℃/min～40℃/min。优选的降温速率为20～30℃/min，更优选为30℃/min。冷却过快容易产生缺陷。本专利技术还提供了一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的LaAlO3/SrTiO3异质结的应用，将其应用于制备晶体管。优选的方案，通过光刻胶工艺在LaAlO3/SrTiO3异质结的外延层表面制备晶体管图形。较优选的方案，所述晶体管图形包括源极、漏极和控制栅。本专利技术的一种具有高载流子浓度和高电子迁移率晶体管的制备方法，包括如下具体步骤：步骤①选取合适的衬底材料并对衬底材料进行表面处理；衬底材料优选为SrTiO3，SrTiO3晶体学取向为(100)或(111)或(110)，衬底表面处理主要是进行清洁处理，如采用异丙醇溶剂超声清洗5～10分钟，直至表面干净。步骤②在步骤①所选的衬底材料表面，使用激光分子束外延法制备LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层，使得在LaAlO3/SrTiO3异质结的界面处出现二维电子气；激光分子束外延法的条件控制为：温度为700℃～900℃，氧气氛围压力为10-8Torr～10-1Torr，激光能量为0.8J/cm2～2.5J/cm2，激光频率为1Hz～10Hz，衬底离靶材的距离为2～15cm。步骤③制备LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层后，以10℃/min～40℃/min速率将至室温，最终得到LaAlO3/SrTiO3异质结；步骤④在LaAlO3/SrTiO3异质结的表面通过光刻胶工艺实现晶体管的设计。步骤⑤对设计的晶体管进行从低温到室温的电学性能测试，晶体管电学性能的测试从低温2K到室温300K，测试的电学性能包括载流子浓度和电子迁移率。相对现有技术，本专利技术技术方案带来的有益技术效果：本专利技术提供的LaAlO3/SrTiO3异质结，具有LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层，其同时具有高载流子浓度和高电子迁移系数，能够满足晶体管等电子器件半导体领域内的使用要求。本专利技术提供的LaAlO3/SrTiO3异质结的制备方法，操作简单、成本低，有利于大规模生产应用。本专利技术的LaAlO3/SrTiO3异质结具有LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层，且外延层经光刻胶工艺得到的LaAlO3/SrTiO3异质结晶体管具有高载流子浓度和高电子迁移系数的等特点，载流子浓度≧1015cm-2和电子迁移系数≧104cm2/Vs，能够有望满足晶体管等电子器件半导体领域内的使用等特点。附图说明图1为实施例1制备得到的LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层的图表。图2为实施例1经光刻胶工艺制备晶体管流程。图3为实施例1经光刻胶工艺制备得到的晶体管源极和漏极光学显微镜图。图4为实施例1经光刻胶工艺制备得到的晶体管控制栅光学显微镜图。图5为实施例1LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层晶体管载流子浓度和电子迁移率随温度变化的曲线图；横坐标为温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的LaAlO3/SrTiO3异质结，其特征在于：包括衬底及其表面的外延层；所述外延层具有LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构。

【技术特征摘要】
1.一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的LaAlO3/SrTiO3异质结，其特征在于：包括衬底及其表面的外延层；所述外延层具有LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构。2.根据权利要求1所述的一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的LaAlO3/SrTiO3异质结，其特征在于：所述外延层的总厚度为10nm～0.5μm，包含至少5个交替叠加的LaAlO3薄层与SrTiO3薄层。3.根据权利要求1所述的一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的LaAlO3/SrTiO3异质结，其特征在于：所述衬底为晶体学取向为(100)或(111)或(110)的SrTiO3。4.权利要求1～3任一项所述的一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的LaAlO3/SrTiO3异质结的制备方法，其特征在于：将衬底进行表面清洁处理后，通过激光分子束外延法在衬底表面生成LaAlO3与SrTiO3交替呈现的量子阱结构外延层，冷却至室温，即得。5.根据权利要求4所述的一种具有高载流子浓度和高电子迁移率的LaAlO3/SrTiO3异质结的制备方法，其特征在于：所述衬底表面采用有机醇类溶剂超声清洗5～10分钟至表面干净。6.根据权利要求4所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡海龙，岳建岭，黄小忠，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43