【雷射蒸鍍】

氧化物薄膜

研究動機與目的

從半導體物理的知識知道，在一般的本質半導體中入雜質原子，可以形成主要導電載子是電洞的電洞型(p-type)半導體和主要導電載子是電子的電子型(n-type)半導體，端視我們所入的雜質原子種類而定。若將電洞型(p-type) 半導體和電子型(n-type)半導體以某種方式將界面接合在一起，由於兩邊載子濃度不同而引起載子擴散，等到達平衡時會在界面區形成空乏層(depletion layer)，最後就形成所謂的半導體p-n接面結(semiconducting p-n junction)。我們知道半導體p-n接面結具有許多重要的特性，如整流功能和發光效應(發光二極體)。至於對高溫超導體而言，材料也具有主要導電載子是電洞的電洞型(p-type) 超導體(如YB2Cu3O7-δ、(La2-xSrxCuO4+δ)和主要導電載子是電子的電子型(n-type) 超導體(如Pr2-xCexCuO4-δ、Nd2-xCexCuO4-δ)，同樣我們也可以將電洞型(p-type) 超導體和電子型(n-type) 超導體，以某種方式接合在一起，形成所謂高溫超導p-n接面結(high Tc superconducting p-n junction )。若我們能成功製作高溫超導p-n接面結，研究動機與目的當然是著重在其是否和半導體p-n接面結，具有相同的特性 (如空乏層、整流、發光等特性)。從理論的觀點預測[3]，在正常態時高溫超導p-n接面結的電壓-電流特性曲線(I-V curve)是和半導體物理中的隧道二極體(tunneling diodes)相類似；而在超導態時高溫超導p-n接面結的電壓-電流特性曲線(I-V curve) 類似於傳統的約瑟芬接面結(Josephson junction)，具有超導電流，而其超導電流和IcRn (Ic：超導電流；Rn：正常態電阻)乘積值，因某些本質的原因會比傳統的約瑟芬接面結(Josephson junction)小很多；而且其超導電流也會受到磁場的影響(diffraction-like magnetic field dependence)，所以有了高溫超導p-n接面結的樣品，我們可以驗證理論的預測是否正確。同時，我們亦可利用其它實驗方式，來探討1.高溫超導p-n接面結在正常態和超導態的界面性質(如界面隨熱退火(annealing effect)所產生的變化)，2.高溫超導p-n接面結pair wave function的相相干(phase coherence)效應，3.高溫超導p-n接面結經照光之後所產生的效應。最後研究利用高溫超導p-n接面結製作奇異電子元件(novel device)的可行性。

研究方法與設計

我們的實驗所採用的p-type高溫超導材料是釔鋇銅氧(YB2Cu3O7-δ 簡稱：YBCO) ；而n-type高溫超導材料是鐠鈰銅氧(Pr2-xCexCuO4-δ X=0.15 簡稱：PCCO)；所採用的基板(substrate)是鈦酸鍶(SrTiO3簡稱：STO)。我們利用雷射沉積技術 (laser deposition technique)[4]來製作YBCO/PCCO bilayer junction，而雷射沉積技術的原理是利用雷射光束照射靶材，當雷射光束照射到靶材表面時會瞬間加熱靶材，並使靶材物質氣化，其噴射出的氣化物質(plume)會直接沉積在加熱的基板上，如圖一所示，實驗所用的靶材是用固態燒結法製作而成。因為YBCO是需要在有氧的環境中成長，而PCCO是需要在缺氧的環境中成長，其製作條件是相互矛盾的，所以要製作YBCO/PCCO bilayer junction 其實是具極大的挑戰。我在中央研究院花了很多的時間在找尋YBCO/PCCO bilayer junction樣品的製程條件，為了克服這個困難，我們採用笑氣(N2O)當反應氣體。樣品的製作過程是在溫度800o C、200 mtorr N2O的環境下濺鍍n-type PCCO，再來將溫度降至750o C於200 mtorr N2O的環境下，將p-type YBCO濺鍍於n-type的PCCO之上，然後將溫度降至400o C持溫退火(annealing)60分鐘，最後當溫度降至室溫時樣品便製作完成。當YBCO/PCCO bilayer junction 的樣品製作完成之後，為了做電性量測，我們用濕式蝕刻法將YBCO蝕刻掉一半，我們的 junction面積大約2mm×3mmm，是屬於大面積的 junction。

實驗的一些結果

我們已經成功地利用雷射沉積技術(laser deposition technique) 製作YBCO/PCCO bilayer junction，在此我們探討實驗的一些初步結果，圖二是YBCO/PCCO bilayer junction 的x-ray繞射圖(x-ray diffraction pattern)，PCCO Layer和YBCO layer 的繞射?(diffraction peak)分別用P(hkl)、Y(hkl)來表示，從x-ray 繞射圖我們只觀察到(00l)的繞射，顯示YBCO/PCCO bilayer junction是朝c軸磊晶成長。圖三是YBCO/PCCO bilayer junction 的高解析TEM picture，從高解析TEM picture，我們觀察到YBCO layer和PCCO layer的界面還蠻sharp，而YBCO layer和PCCO layer都是一層一層磊晶成長。所以從x-ray 繞射圖和高解析TEM picture，可以確定以雷射沉積技術(laser deposition technique) 製作YBCO/PCCO bilayer junction是可行的。

 

圖四是YBCO/PCCO bilayer junction的電阻-溫度關係曲線(R-T curve)，我們採用的方式是四點量測法(four probe method)，如圖五所示。從圖四我們觀察到(R-T curve)有兩個step，這兩個step分別對應到YBCO layer和PCCO layer的超導轉變溫度，從此電阻-溫度關係曲線(R-T curve)，我們可以確定電流是通過YBCO layer和PCCO layer，及其界面(interface)。圖六是YBCO/PCCO bilayer junction的電壓-電流特性曲線(I-V curve)，從此電壓-電流特性曲線(I-V curve)，我們觀察到YBCO/PCCO bilayer junction具有超導電流(supercurrent)，初步估算此YBCO/PCCO bilayer junction的超導電流密度(supercurrent density)是很小的。當我們對YBCO/PCCO bilayer junction施加磁場時，我們觀察不到磁場對超導電流(supercurrent)的影響，此結果和理論的預測是有所出入的，或許我們需要再進一步去改善樣品的品質，以便釐清理論預測和實驗結果的關係。

 

未來的方向

  1. 希望能改善製程條件製作高品質的高溫超導p-n接面結，以期對其物理特性能有清楚的解。
  2. 我們可以改變不同的p-type、n-type高溫超導材料，探討不同的高溫超導p-n接面結，是否有不同的物理特性。
  3. 因為我們現在的高溫超導p-n接面結是屬於大面積的junction，對於電性量測時可能造成電流分佈不均勻，所以可以將junction的面積做小，以便對量測有較清楚的釐清，同時可以探討不同的junction面積，其界面性質有何不同。
  4. 因為本實驗的高溫超導p-n接面結是屬於c軸方向，其相干長度(coherence length)比較小，所以pair wave function 的相干程度也較小，所以我們也可以試圖製作ab方向的高溫超導p-n接面結(ramp-type junction)。
  5. 我們可以對高溫超導p-n接面結的兩極施加電壓，觀察其是否具有發光的現象，以期製作以高溫超導p-n接面結為基礎的奇異電子元件。

參考文獻

  1. M. N. Kneene et al., Nature 430, 210 (1989).
  2. R. Gross et al., Physica C 166, 277 (1990).
  3. J. Mannhart et al., Physca C 216 , 401 (1993).
  4. S. N. Mao et al., Appl. Phys. Lett. 61, 2356 (1992).