铁电-GaN半导体薄膜外延集成及器件研究

发布时间：2020-05-15 01:52

【摘要】：铁电薄膜与宽禁带半导体的集成是面向功率电子、智能传感等新兴高技术产业应用的关键技术。在氮化镓基高电子迁移率晶体管器件的研究中,以铁电栅极替代传统氧化物介电栅极,利用铁电薄膜的铁电极化效应增强栅极控制,有望实现高电子迁移率晶体管由耗尽型向增强型的转变,大大提升器件的实用性。然而通常为钙钛矿结构的铁电材料与六方相的氮化镓存在巨大的晶格失配,在氮化镓基衬底上沉积高质量外延铁电薄膜十分困难。本文在宽禁带半导体GaN衬底表面外延生长PMN-PT铁电薄膜,通过深入研究外延生长机理与界面晶格匹配机制,实现PMN-PT铁电薄膜与GaN基半导体之间的高质量外延集成,并结合研究中出现的电极不对称问题,提出了用ZnO基导电薄膜替代传统金属电极的解决方案。本文所得的主要结论如下:(1)利用脉冲激光沉积法在无缓冲层的情况下实现了PMN-PT(111)薄膜在GaN(0002)衬底上的直接外延生长,其面内外延关系为(111)×[-211]PMN-PT//(0002)×[11-20]GaN;(2)通过分析PMN-PT薄膜与GaN的外延关系,建立了二者之间的域外延匹配模型,阐释了PMN-PT(111)薄膜在GaN(0002)衬底上的外延生长机理;(3)所得PMN-PT薄膜具有铁电性,剩余极化强度可达18.1μC/cm~2,可进一步用于增强型HEMT器件开发;(4)ZnO具有与GaN相同的结构、导电类型和相近的晶格参数,ZnO基导电氧化物薄膜,可用于GaN基HEMT器件研发过程中的测试电极,有望解决采用普通金属电极时产生的电极不对称等问题。本论文的研究工作为进一步实现增强型GaN基高电子迁移率晶体管器件奠定了基础,对于铁电薄膜和GaN半导体结合的集成铁电器件的实用化,促进电子系统的多功能集成应用具有重要的意义。
【图文】：

晶体管器件,结构示意图,半导体材料

图 1.1 不同种类的晶体管器件结构示意图Fig. 1.1 Illustration of different transistors.二维电子气的特性使其很适合用于超高频超高速的晶体管器件，如图 1.1 所示，在晶体管中用带有二维电子气的异质结构替代原本的半导体结构，形成高电子迁移率晶体管，能够大大提升晶体管的响应速率，使得制备工作频率为 GHz 及以上的晶体管器件成为可能。1.3 GaN 及 AlGaN/GaN 异质结构半导体的应用可谓人类历史上最伟大的发明之一，半导体材料制成的微电子产品已经深入到我们生活的方方面面。硅、锗作为第一代半导体材料，是研究的最多也是最成熟的半导体材料，因而至今硅仍然是大规模集成电路最主要的半导体材料。以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体在上世纪 90 年代逐渐引入应用，它们一定程度上满足了部分超高速、大功率器件和集成电路的需求，其中以砷化镓的研究最为成熟，但由于其生产成本过高，始终无法投入大规模应用。现阶段，第三代宽禁带半导体（禁带宽度大于 2.2eV）已经越来越受到更多研究者的关注，成为了

纤锌矿,结构示意图,压电极化,自发极化

III-V 族化合物，除了常见的纤锌矿(wurtzite)结构以外，还晶体结构，其区别只在于原子层的排列方式。纤锌矿结构的以 ABAB 方式堆垛而成，Ga 面和 N 面交错排列；闪锌矿结面为（111）面，ABCABC 的排列方式。闪锌矿结构的氮化相，因此常用的 GaN 均为六方结构，，其晶格参数 a 和 c 分别于纤锌矿结构为 Ga 和 N 交错排列，自然也就可能出现表面为面的 GaN 两种情况。但通常情况下，采用金属有机化学气相密度的 GaN 薄膜的表面为 Ga 面。时具备自发极化和压电极化两种性质，其自发极化方向由 G化镓的较强的压电极化性质是其与其他 III-V 族化合物不同的电学性能。在 GaN 基高电子迁移率晶体管的结构中，Al构，一方面由于组成这异质结构的两种材料都具有很大的禁击穿能力，另一方面 AlGaN 和 GaN 的导带底能级相差较大发极化效应，在界面处形成能级突变，产生深而窄的势阱，电子气，这使得其成为功率电子器件应用中的理想材料。
【学位授予单位】：上海应用技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

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