LiNbO3铁电薄膜与GaN半导体的集成生长与性能研究

摘要

电子信息系统的微型化和单片化推动了电子材料的薄膜化发展，将介电功能材料与半导体材料以固态薄膜的形式进行集成，成为近年来研究的热点。多功能介电材料 LiNbO3（LN）与第三代半导体材料 GaN的晶体结构相似，这有利于二者的外延集成，并且，LN较高的自发极化有利于对半导体的输运特性进行调控。本文以LN铁电薄膜与GaN半导体的集成生长及其电学性能的研究为主要内容。针对二者间存在晶格失配，以及GaN的表面性质会在高温和氧气氛围下受到损伤，本文探索了采用自缓冲层诱导LN薄膜的外延生长，并对多种方法制备的LN/GaN集成结构的电性能，包括I-V、C-V和P-E特性，进行了研究。
　　首先，采用PLD法在GaN衬底上优化了制备LN单层薄膜的实验参数，然后采用多种方法制备了LN自缓冲层，并成功诱导了LN薄膜的外延生长。采用XRD、AFM和PFM等表征手段对LN薄膜的微观结构进行了分析，得到如下结论：上述直接生长和自缓冲生长的LN薄膜均为c轴单一取向，且外延关系相同；当自缓冲层厚度为2 nm时，其诱导生长的LN薄膜较直接生长时结晶质量更高，薄膜的表面粗糙度及（0006）衍射峰的半高宽均有所降低；室温及高真空条件下沉积并退火的自缓冲层诱导生长的 LN薄膜具有最好的结晶质量，并且，薄膜中的+c取向电畴所占比例（约85％）比直接生长时（约70%）更高。
　　其次，对 LN/GaN集成结构的电学性能进行了测量。结果表明：自缓冲生长的LN薄膜漏电流获得了降低；由于上、下电极不同，LN薄膜的J-E和P-E特性在正负电场作用下均呈现不对称；优化的自缓冲生长的LN薄膜的剩余极化（Pr）获得了提高，达到1.2μC/cm2，对应的C-V特性回线具有明显的逆时针窗口特征。
　　与 GaN晶体结构相似的 ZnO:Al（ZAO）可作为良好的电极材料，因此在蓝宝石衬底上制备了LN/ZAO集成结构，其电学性能测量结果表明：该结构的J-E和P-E特性也具有非对称特征；ZAO/LN/ZAO对称结构表现出良好的绝缘性质和铁电性能，其P-E曲线呈现矩形特征，室温时Pr=1.3μC/cm2；升高温度使薄膜中的铁电畴可反转性提高，300℃时Pr=3.0μC/cm2；采用自缓冲层诱导生长的LN薄膜的铁电性能获得了提高，在室温和较低的电场下测得Pr=1.7μC/cm2。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 铁电材料

1.3 LiNbO3（LN）材料概述

1.4 第三代半导体材料GaN概述

1.5 铁电/半导体集成结构研究现状

1.6 论文的选题及研究方案

第二章 薄膜的制备及表征方法

2.1 LN薄膜常用制备方法

2.2 脉冲激光沉积系统

2.3 薄膜微观结构表征方法

2.4 薄膜的电学性能测试

第三章 GaN衬底上LN薄膜的生长

3.1 GaN衬底上LN单层薄膜的生长

3.2 LN自缓冲层对薄膜生长的影响

3.3 本章小结

第四章 LN薄膜的电学性能研究

4.1 LN/GaN集成结构的I-V特性测试

4.2 LN/GaN集成结构的C-V特性测试

4.3 LN薄膜的铁电性能测试

4.4 LN/ZnO:Al集成结构的制备与电性能

4.5 本章小结

第五章 结 论

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果