BiFeO3多铁薄膜与GaN基半导体的集成生长与性能研究

摘要

信息技术的高速发展要求电子系统具有更小的体积，更快的速度、更强的功能和更低的功耗，这导致了电子元器件向微型化、单片化和多功能集成化方向的发展。BiFeO3(BFO)是一种在室温下铁电性和铁磁性共存的多铁材料，其具有铁电极化大、居里温度高等特性，在集成电子学方面拥有巨大的应用潜力。第三代半导体材料GaN具有禁带宽度大、电子饱和漂移速率高、介电常数小和击穿场强高等特点，非常适用于制作高频、高速、高功率、抗辐射、高集成度的电子器件和电路。如果将BFO和GaN通过薄膜集成形成BFO/GaN集成薄膜，不但可以实现单片器件上介电无源器件和半导体有源器件的功能集成，而且可以应用BFO和GaN半导体在界面处的耦合效应研发出一些新型器件。但是，两种材料具有不同的晶格结构，生长工艺也不兼容，使得在GaN上外延生长BFO薄膜面临一系列技术问题。本论文采用脉冲激光沉积技术(PLD)，对GaN基片上BFO薄膜的生长进行了系统的研究，为BFO/GaN集成薄膜的实用化提供了一定的基础。
　　1.研究了插入STO/TiO2双缓冲层对在Al2O3基片上生长BFO薄膜的影响。实验结果表明，在Al2O3基片上直接生长的BFO薄膜为多晶薄膜，而插入缓冲层后能够实现BFO薄膜在Al2O3基片上沿取向的外延生长，并提高薄膜的结晶质量。整个BFO/STO/TiO2/Al2O3异质结构的外延关系为：BFO(Ⅲ)// SrTiO3(Ⅲ)// TiO2(100)//Al2O3(0001)；BFO[1-10]/SrTiO3[1-10]//TiO2[001]//Al2O3[10-10]，并且BFO薄膜形成了面内旋转60°相重合的双畴结构。电学性能测试表明，通过插入STO/TiO2双缓冲层能够提高BFO薄膜的铁电性能，降低薄膜的漏电流。这些结论初步验证了STO/TiO2双缓冲层的作用，为实现BFO与GaN的集成奠定了基础。
　　2.在通过插入STO/TiO2双缓冲层实现BFO薄膜在Al2O3基片上外延生长的基础上，本论文探索了主要工艺参数(氧分压和生长温度)对BFO薄膜结构和性能的影响，优化了BFO外延薄膜的生长工艺。
　　3.论文对在GaN(0002)基片上生长BFO薄膜进行了研究。实验发现，BFO薄膜并不按照面内与GaN晶格失配度较小的取向生长，而是倾向于面内旋转30°按照BFO(Ⅲ)[1-10]//GaN(0002)[Ⅱ-20]的外延关系生长。但是在这种外延关系下BFO与GaN的晶格失配较大，BFO薄膜以岛状模式生长，生长的BFO薄膜为多晶薄膜，并具有大量的缺陷，表现出较差的电学性能。而通过插入STO/TiO2双缓冲层，实现了 BFO(Ⅲ)薄膜在 GaN基片上的外延生长。整个异质结构的外延关系确定为：BFO(Ⅲ)// SrTiO3(Ⅲ)// TiO2(100)// GaN(0001)；BFO[1-10]/SrTiO3[1-10]//TiO2[001]//GaN[11-20]，并且BFO薄膜具有面内旋转60°相重合的双畴结构。性能测试表明，通过缓冲层的插入能够使在 GaN上外延生长的BFO薄膜表现出与STO单晶基片上生长的BFO薄膜相比拟的铁电性能和绝缘性能，为GaN基铁电存储器和铁电场效应晶体管的实现提供了可能。
　　4.制备了BFO/STO/TiO2/AlGaN/GaN异质结构，初步探索了外延生长的BFO薄膜的铁电性对AlGaN/GaN本征电学性能的影响。

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第一章 绪 论

1.1 多铁材料

1.2 多铁氧化物材料BiFeO3(BFO)

1.3 第三代半导体材料GaN概述

1.4多铁/半导体集成薄膜研究概况

1.5 论文选题及研究方案

第二章 BFO薄膜的制备工艺及结构与性能分析方法

2.1 BFO薄膜脉冲激光沉积(PLD)制备方法简介

2.2 BFO薄膜后位微结构表征方法

2.3 BFO薄膜的电学性能测试

第三章 蓝宝石Al2O3衬底上BFO薄膜的生长研究及性能测试

3.1 STO/TiO2双缓冲层对Al2O3基片上生长BFO薄膜的影响

3.2 BFO薄膜最佳工艺参数的探索

3.3 小结

第四章 BFO/GaN异质结构研究

4.1 BFO/GaN薄膜的集成

4.2 GaN基片上BFO薄膜的性能测试

4.3 BFO/STO/TiO2/AlGaN/GaN异质结构性能初探

4.4 小结

第五章结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的成果