介電氧化物薄膜在GaN半導體上的外延生長與性能研究.pdf

1、近年來，電子信息系統(tǒng)為了縮小體積、增強功能，正快速向微型化以及單片集成化方向發(fā)展，對電子薄膜與器件提出了尺寸小型化和功能集成化的要求。將以極化為特征、具有豐富功能特性的介電氧化物材料通過外延薄膜的方式，與GaN半導體生長在一起形成介電氧化物/GaN集成薄膜，為高性能電子器件的研制提供了新的思路，將推動電子系統(tǒng)單片集成化的進一步發(fā)展。然而，在介電氧化物/GaN集成薄膜的研制中，兩類材料物理、化學性質(zhì)的巨大差異導致了嚴重的相容性生長問題。由

2、于理論研究和實驗條件的限制，與之相關的很多物理現(xiàn)象和機理尚未深入研究，尤其是介電氧化物/GaN異質(zhì)外延機理以及薄膜微結構控制等方面研究不足，阻礙了介電氧化物/GaN集成薄膜與器件的發(fā)展。本文采用激光分子束外延技術（LMBE），以典型的SrTiO3（STO）介電氧化物薄膜為對象，研究氧化物/GaN異質(zhì)外延的生長機制和界面控制方法。通過特殊設計的納米厚度緩沖層材料，對界面加以控制，優(yōu)化STO薄膜的外延質(zhì)量。在此基礎上，研究了GaN基半導體上

3、生長的STO、BaTiO3等多種介電氧化物薄膜的性能，為GaN基介電氧化物集成薄膜的實用化提供了一定的基礎。
　　 ⑴采用反射式高能電子衍射（RHEED）等方法，系統(tǒng)研究了STO在GaN上的生長行為及界面微結構特性。發(fā)現(xiàn)在界面化學能的作用下，STO薄膜在GaN襯底上偏離晶格失配度小的方向30°，按STOt（111）[110]//GaN（O002）[1120]的外延關系生長，晶格失配度為-13.3％。大的晶格失配度使得STO薄膜以

4、島狀模式生長，產(chǎn)生大量缺陷，取向一致性較差。ATO（111）面與GaN（0002）對稱性的差異導致STO薄膜面內(nèi)具有特殊的雙疇結構。研究還發(fā)現(xiàn)STO中SrO與Ga面GaN之間的不穩(wěn)定性導致STO/GaN界面發(fā)生擴散反應，產(chǎn)生界面層。因此，介電氧化物/GaN界面存在大晶格失配和界面擴散，影響STO薄膜的外延質(zhì)量，難以實現(xiàn)高質(zhì)量集成薄膜的可控生長。
　　 ⑵研究了TiO2模板層對STO薄膜外延質(zhì)量和界面微結構的影響。在GaN上制備了

5、以層狀模式外延生長的TiO2模板層。TiO2薄膜表面平整（表面均方根粗糙度RMS<0.5nm），具有明顯的臺階狀結構；與GaN形成清晰、無明顯擴散的界面。研究發(fā)現(xiàn)，利用TiO2模板層降低了STO薄膜外延溫度，提高了薄膜面內(nèi)、面外取向的一致性。結果表明，TiO2模板層可以有效誘導STO（111）薄膜的取向外延生長。通過近重位點陣理論和界面原子構型分析發(fā)現(xiàn)，TiO2與STO的結構類似性以及晶格失配的降低（從直接生長時的-13.3％降低到1.

6、3％）是TiO2模板層對STO薄膜取向誘導作用的主要原因。通過控制TiO2模板層厚度可以進一步提高STO薄膜外延質(zhì)量。當TiO2厚度為2nm時，STO薄膜以層狀模式在TiO2模板層上外延生長，其面外、面內(nèi)半高寬分別為0.569°和1.65°。HRTEM和XPS分析表明，STO/TiO2/GaN集成薄膜具有清晰的界面，界面擴散反應得到了顯著抑制。這些結果說明，TiO2納米模板層能有效地優(yōu)化氧化物/GaN的界面特性，提高了STO薄膜的外延質(zhì)

7、量。
　　 ⑶開展了STO/TiO2緩沖層對GaN基集成鐵電薄膜取向誘導和性能影響的研究。直接在GaN上生長的鐵電薄膜為多晶結構；而STO/TiO2緩沖層能夠誘導BaTiO3、Hf摻雜Bi4Ti3O12（BTH）以及BiFeO3等不同晶體結構的鐵電薄膜外延生長。與多晶的鐵電薄膜相比，外延的鐵電薄膜具有更好的電學性能，如更大的剩余極化、更小的漏電流密度和更好的抗疲勞特性等。STO/TiO2緩沖層顯著提升了GaN基集成鐵電薄膜的性能

8、。
　　 ⑷研究了MgO薄膜的低溫外延生長特性及其對界面擴散的阻擋作用，初步探索了MgO勢壘層在A1GaN/GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）器件中的作用。發(fā)現(xiàn)MgO的強離子性是其能在室溫條件下外延生長的主要原因。界面特性分析表明，室溫生長的MgO能夠阻擋STO與GaN界面的擴散反應。MgO勢壘層提高了STO與GaN界面的勢壘高度，使得STO/TiO2/MgO疊層結構漏電流小于STO/TiO2結構，為STO等介電氧化物薄膜在G