介電氧化物薄膜在GaN半導(dǎo)體上的外延生長(zhǎng)與性能研究.pdf

1、近年來(lái)，電子信息系統(tǒng)為了縮小體積、增強(qiáng)功能，正快速向微型化以及單片集成化方向發(fā)展，對(duì)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(guò)外延薄膜的方式，與GaN半導(dǎo)體生長(zhǎng)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(dòng)電子系統(tǒng)單片集成化的進(jìn)一步發(fā)展。然而，在介電氧化物/GaN集成薄膜的研制中，兩類(lèi)材料物理、化學(xué)性質(zhì)的巨大差異導(dǎo)致了嚴(yán)重的相容性生長(zhǎng)問(wèn)題。由

2、于理論研究和實(shí)驗(yàn)條件的限制，與之相關(guān)的很多物理現(xiàn)象和機(jī)理尚未深入研究，尤其是介電氧化物/GaN異質(zhì)外延機(jī)理以及薄膜微結(jié)構(gòu)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(shù)（LMBE），以典型的SrTiO3（STO）介電氧化物薄膜為對(duì)象，研究氧化物/GaN異質(zhì)外延的生長(zhǎng)機(jī)制和界面控制方法。通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的納米厚度緩沖層材料，對(duì)界面加以控制，優(yōu)化STO薄膜的外延質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，研究了GaN基半導(dǎo)體上

3、生長(zhǎng)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(shí)用化提供了一定的基礎(chǔ)。
　　 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(zhǎng)行為及界面微結(jié)構(gòu)特性。發(fā)現(xiàn)在界面化學(xué)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(guān)系生長(zhǎng)，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(zhǎng)，產(chǎn)生大量缺陷，取向一致性較差。ATO（111）面與GaN（0002）對(duì)稱(chēng)性的差異導(dǎo)致STO薄膜面內(nèi)具有特殊的雙疇結(jié)構(gòu)。研究還發(fā)現(xiàn)STO中SrO與Ga面GaN之間的不穩(wěn)定性導(dǎo)致STO/GaN界面發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，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(kuò)散，影響STO薄膜的外延質(zhì)量，難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量集成薄膜的可控生長(zhǎng)。
　　 ⑵研究了TiO2模板層對(duì)STO薄膜外延質(zhì)量和界面微結(jié)構(gòu)的影響。在GaN上制備了

5、以層狀模式外延生長(zhǎng)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(tái)階狀結(jié)構(gòu)；與GaN形成清晰、無(wú)明顯擴(kuò)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(jié)果表明，TiO2模板層可以有效誘導(dǎo)STO（111）薄膜的取向外延生長(zhǎng)。通過(guò)近重位點(diǎn)陣?yán)碚摵徒缑嬖訕?gòu)型分析發(fā)現(xiàn)，TiO2與STO的結(jié)構(gòu)類(lèi)似性以及晶格失配的降低（從直接生長(zhǎng)時(shí)的-13.3％降低到1.

6、3％）是TiO2模板層對(duì)STO薄膜取向誘導(dǎo)作用的主要原因。通過(guò)控制TiO2模板層厚度可以進(jìn)一步提高STO薄膜外延質(zhì)量。當(dāng)TiO2厚度為2nm時(shí)，STO薄膜以層狀模式在TiO2模板層上外延生長(zhǎng)，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(kuò)散反應(yīng)得到了顯著抑制。這些結(jié)果說(shuō)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(kāi)展了STO/TiO2緩沖層對(duì)GaN基集成鐵電薄膜取向誘導(dǎo)和性能影響的研究。直接在GaN上生長(zhǎng)的鐵電薄膜為多晶結(jié)構(gòu)；而STO/TiO2緩沖層能夠誘導(dǎo)BaTiO3、Hf摻雜Bi4Ti3O12（BTH）以及BiFeO3等不同晶體結(jié)構(gòu)的鐵電薄膜外延生長(zhǎng)。與多晶的鐵電薄膜相比，外延的鐵電薄膜具有更好的電學(xué)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(zhǎng)特性及其對(duì)界面擴(kuò)散的阻擋作用，初步探索了MgO勢(shì)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(qiáng)離子性是其能在室溫條件下外延生長(zhǎng)的主要原因。界面特性分析表明，室溫生長(zhǎng)的MgO能夠阻擋STO與GaN界面的擴(kuò)散反應(yīng)。MgO勢(shì)壘層提高了STO與GaN界面的勢(shì)壘高度，使得STO/TiO2/MgO疊層結(jié)構(gòu)漏電流小于STO/TiO2結(jié)構(gòu)，為STO等介電氧化物薄膜在G