PZT铁电薄膜与AlGaN/GaN半导体异质结构的集成和性能研究

摘要

电子信息系统对于微型化、单片化的不断追求，向电子薄膜及其集成器件的尺寸和功能性提出了更高的要求，促进了将氧化物功能材料以固态薄膜的形式与具有载流子输运能力的半导体集成方面的研究。PZT由于具有压电效应、热电效应以及自发极化效应等优异的性能，一直以来都是最受关注的铁电材料。GaN作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有高击穿场强、高热稳定性、高电子饱和漂移速度等出色的性能。GaN经过调制掺杂形成的AlGaN/GaN半导体异质结构，界面处产生具有很高载流子浓度和迁移率的二维电子气（2DEG），成为了近些年来研究的热点。
　　本文以PZT铁电薄膜与AlGaN/GaN半导体异质结构的集成为研究对象，并针对集成过程中遇到的晶格失配、生长工艺不兼容等问题，采用MgO作为缓冲层材料获得了沿（111）面高度择优取向生长的PZT薄膜，并通过微细加工，将集成体系制备成MFIS结构。经过电容-电压（C-V）和电流-电压（I-V）测试，对比并分析MFIS和MFS的电学性能。
　　首先在与GaN具有相似晶体结构的Al2O3衬底上，优化PZT薄膜的生长工艺。XRD衍射结果表明，直接生长的PZT薄膜为多晶结构；AFM扫描结果显示出薄膜表面粗糙多孔，结晶质量不好。通过引入MgO缓冲层，获得了沿（111）面择优取向生长的PZT薄膜，AFM形貌图中晶粒致密，薄膜表面平整度较高，说明薄膜的结晶质量的到了提高。
　　然后将PZT薄膜与AlGaN/GaN半导体异质结构集成，在MgO缓冲作用下，获得了沿（111）面高度择优取向生长的PZT薄膜，通过φ扫描确定 PZT薄膜与AlGaN/GaN衬底之间的外延关系为(111)[1-10]PZT//(0002)[11-20]GaN，PZT薄膜为双畴结构。
　　通过微细加工，制备出金属/铁电/介质/半导体（MFIS）结构。随着MgO缓冲层的引入，C-V测试结果中出现代表铁电极化反转的逆时针回线，且回线的窗口随着外加正向偏压的增加逐渐增大，同时相对载流子浓度差Δns增大。外加偏压为2V时，C-V曲线窗口和Δns都达到最大值，分别为0.5V和3.49×1011/cm2；当外加偏压继续增大时，由于电子注入，C-V曲线窗口和Δns同时减小；二者随外加偏压的变化趋势一致，表明PZT薄膜的铁电极化对AlGaN/GaN半导体异质结中的2DEG起到调制了作用。随着缓冲层厚度的降低，铁电极化对2DEG的调制作用逐渐增强。当MgO缓冲层厚度达到2nm时，C-V窗口最大，达到0.7V，阈值电压（Vth）降低到-1.7V，栅控能力得到了提高。此时漏电流密度与MFS相比，下降了五个数量级。

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 铁电材料

1.3 PZT材料简介

1.4 GaN和AlGaN/GaN半导体异质结构

1.5 铁电/半导体集成结构的研究现状

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 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Al2O3衬底上PZT薄膜的生长及性能研究

3.1 Al2O3衬底上PZT薄膜的制备

3.2 薄膜的铁电性测试

3.3 薄膜的绝缘性测试

3.4 本章小结

第四章PZT与 AlGaN/GaN半导体异质结的集成及性能研究

4.1 PZT与AlGaN/GaN半导体异质结的集成

4.2 MFIS结构的微细加工

4.3 MFS结构电学性能

4.4 MFIS异质结构电学性能

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