鈮酸鋰-半導(dǎo)體集成薄膜的界面控制與電性能研究.pdf

1、介電功能材料和半導(dǎo)體材料已成為各種電子器件中使用最為普遍、最具代表性的兩類(lèi)典型電子材料。隨著電子信息系統(tǒng)向體積更小、功能更多、性能更強(qiáng)的方向發(fā)展，電子材料的薄膜化與集成化已成為主要的發(fā)展趨勢(shì)。因此，將介電材料以固態(tài)薄膜的形式與半導(dǎo)體進(jìn)行集成已成為當(dāng)前電子材料研究的前沿和熱點(diǎn)之一。一方面，利用該類(lèi)集成結(jié)構(gòu)的一體化特征，可將介電無(wú)源器件與半導(dǎo)體有源器件進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)有源—無(wú)源的多功能集成，促進(jìn)電子系統(tǒng)小型化和單片化；另一方面，利用介電材料的

2、極化等性能對(duì)半導(dǎo)體的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)制，可誘導(dǎo)和耦合產(chǎn)生新的性能，為新型電子器件的研制提供新思路。本論文針對(duì)上述背景選取鈮酸鋰（LiNbO3，簡(jiǎn)稱(chēng)LN）鐵電薄膜材料與寬禁帶半導(dǎo)體 GaN進(jìn)行集成，構(gòu)建出 LN/GaN極化耦合結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)圍繞該集成結(jié)構(gòu)的極化調(diào)制和耦合效應(yīng)開(kāi)展了系統(tǒng)的研究，并利用鐵電極化對(duì)二維電子氣（2DEG）的耗盡作用，研制出一種具有重要應(yīng)用價(jià)值的常關(guān)態(tài) LN/AlGaN/GaN增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管新器件。同時(shí)，本論文提出增加極性

3、ZnO納米層的界面修飾方法，顯著改善了介電/半導(dǎo)體集成薄膜的界面結(jié)構(gòu)。
　　首先，本論文通過(guò)對(duì)AlGaN/GaN半導(dǎo)體上LN薄膜的組分調(diào)控規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)了Li空位對(duì)2DEG的俘獲效應(yīng)。根據(jù)該試驗(yàn)現(xiàn)象，首次研制出一種電荷俘獲型LN/AlGaN/GaN原型器件，并揭示了其信息“讀出”和“寫(xiě)入”的操作機(jī)理，拓展了AlGaN/GaN半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域。測(cè)試結(jié)果表明：即使在較高溫度條件下（300℃），該類(lèi)器件的信息保持時(shí)間仍會(huì)超過(guò)10年。

4、r>　　其次，通過(guò)在GaN表面沉積LN鐵電薄膜，構(gòu)建出LN/GaN集成結(jié)構(gòu)，并對(duì)其電性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：通過(guò)兩種極化（GaN半導(dǎo)體的自發(fā)極化和LN薄膜的鐵電極化）的耦合作用，該集成薄膜表現(xiàn)出明顯的鐵電極化調(diào)制效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出 LN/AlGaN/GaN集成結(jié)構(gòu)，深入探討了鐵電極化對(duì)二維電子氣（2DEG）的調(diào)制作用。研究結(jié)果表明：在外加電場(chǎng)的作用下，LN薄膜的鐵電極化發(fā)生反轉(zhuǎn)，使2DEG的濃度增加（△ns），最大△ns

5、約為7.36×1011/cm2，該特征在其它同類(lèi)集成結(jié)構(gòu)中尚未被發(fā)現(xiàn)和報(bào)道。
　　再次，在無(wú)任何外加電場(chǎng)預(yù)極化處理的條件下，在 LN/AlGaN/GaN集成結(jié)構(gòu)中，利用AlGaN/GaN半導(dǎo)體表層Ga離子的誘導(dǎo)作用，使LN薄膜表現(xiàn)出擇優(yōu)取向鐵電極化特征，該鐵電極化對(duì)2DEG具有耗盡作用，這為研制GaN增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管器件提供了新的材料選擇。
　　隨后，利用掩模層方法，解決了LN薄膜難以濕法刻蝕的困難，并利用鐵電極化對(duì)2DEG的

6、耗盡作用，首次研制出一種LN/AlGaN/GaN增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管器件，其開(kāi)啟電壓可達(dá)到+1.0 V。利用ZnO納米層對(duì)界面的修飾作用，顯著提高了器件的電性能，最大輸出電流由97 mA/mm增加到204 mA/mm，最大跨導(dǎo)由27 mS/mm增加到46 mS/mm。該項(xiàng)研究?jī)?nèi)容為發(fā)展低功耗GaN邏輯電路提供了一種全新的方法。
　　同時(shí)，將ZnO納米層對(duì)集成結(jié)構(gòu)的界面控制方法延伸到Si的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，形成了LN/ZnO/Si集成結(jié)構(gòu)，所制