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Dissertation for the Master Degree in Science
THE TRANSPORT PROPERTIES OF INVERSION LAYER IN THE Fe3O4-SiO2-Si STRUCTURE
Candidate: Cai Yi
Supervisor: Prof. Sui Yu
Academic Degree Applied for: Master of Science
Speciality: Condensed Matter Physics
Affiliation: Department of Physics
Date of Defence: June, 2011
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘 要
Fe3O4 由于其高达 840 K 的居里温度以及磁电阻效应而被广泛研究,Si 基半导体是集成电路的基础。将二者相结合,构成 Fe3O4-氧化物-半导体场效应晶体管结构可以实现自旋电子材料的半导体器件,具有重要的科学意义和应用前景。同时,Si 半导体具有光生伏特效应。因此,Fe3O4-SiO2-Si 结构器件可以实现磁性、光学性质和半导体的结合。反型层在场效应晶体管(MOSFET)结构中具有决定性作用。由于 Fe3O4 具有较高的功函数,所以当 Fe3O4 薄膜沉积到 Si 基片时会在 Si 基片表面生成反型层。本文着重研究了反型层对 Fe3O4-SiO2-Si 结构电磁输运性质及侧向光伏效应的影响。
首先,研究了 Fe3O4-SiO2-Si 结构的磁输运性质。随着温度的升高,电阻先下降后升高,当温度高达 330 K 后,电阻又随着温度的升高而下降,实现了电子传输通道的转换。这可以利用双通道模型进行解释,Fe3O4-SiO2-Si 结构器件可以看成由薄膜传输通道和反型层传输通道并联的等效电路构成。从电阻随温度的变化关系也可以看到,低温时电子在 Fe3O4 薄膜中传输,随着温度升高, 热运动的作用使电子能穿过 SiO2 层进入电阻率低的反型层中传输,温度再次升高后,反型层电阻升高而 Fe3O4 电阻下降,电子又再次进入 Fe3O4 中传输。随着温度的改变在两层传输通道之间的转变。因此当电子完全在 Fe3O4 中输运时表现出 Fe3O4 负磁电阻效应,电子在反型层中传输时表现出反型层的正磁电阻效应,当电子在二者之间转换的极小温区范围内表现出较大的放大性磁电阻效应。
其次,研究了双岛状 Fe3O4-SiO2-Si 结构的输运性质,由于 Fe3O4 薄膜不能直接相连,因此电子实现了 Fe3O4-Si-Fe3O4 的传输。由于 Fe3O4 薄膜的不连续性, 造成 Si 基片内部反型层的不连续,而且 Si 基片电阻值远高于 Fe3O4 薄膜和反型层电阻,所以使电子的输运主要在 Si 中,电阻表现出 Si 的半导体特性,磁电阻也是由于洛伦兹力对 Si 基片中电子的影响而出现的正磁电阻效应。
最后,研究了普通 Fe3O4-SiO2-Si 结构和双岛状 Fe3O4-SiO2-Si 结构的侧向光伏效应。两种结构都表现出良好的侧向光伏效应,但双岛状结构的侧向光伏效应更明显。这是由于沉积 Fe3O4 薄膜后,Si 基片内部形成了由反型层和 Si 基片组成的类似 p-n 结结构,在激光照射下产生光生载流子。而反型层进一步又为载流子的横向传输提供了条件,由于反型层内部载流子浓度梯度的关系,载流子产生了横向的移动,形成侧向光伏效应。双岛状结构中由于 Si 基片内部反型层是不连续的,因此光生载流子的传输在反型层不连续的地方变得困难,从而产生了较高的侧向光伏效应。
总之,反型层过 Fe3O4-SiO2-Si 结构的输运性质起到了非常关键的作用。通过对反型层的研究,对充分理解这种结构内部载流子的输运特性有十分重要的意义。而且,对 Fe3O4-SiO2-Si 结构所表现出较大的磁电阻效应和侧向光生伏特效应的研究,不仅具有较高的物理意义,而且对于进一步相关器件的研究有十分重要的指导作用。
关键词:反型层;Fe3O4 薄膜;磁电阻效应;侧向光伏
Abstract
Fe3O4 is a widely used material of oresistance effect, and the metal- oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) is the basis of the semiconductor integrated circuit. binat