鐵電-AlGaN-GaN半導(dǎo)體異質(zhì)薄膜的界面表征研究.pdf

1、界面是功能氧化物/半導(dǎo)體異質(zhì)薄膜研究的重要內(nèi)容。功能氧化物/半導(dǎo)體薄膜既具有以半導(dǎo)體載流子的場(chǎng)效應(yīng)與輸運(yùn)性質(zhì)，又具有氧化物材料豐富的功能效應(yīng)，如超導(dǎo)、鐵磁、鐵電、壓電、電光等。如何在功能氧化物/半導(dǎo)體異質(zhì)界面上，將半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)與氧化物的功能效應(yīng)相互集成，誘導(dǎo)出新現(xiàn)象和新效應(yīng)，進(jìn)而研制新型器件是當(dāng)前材料和器件研究的熱點(diǎn)之一。盡管功能氧化物/半導(dǎo)體異質(zhì)薄膜的制備技術(shù)在近幾年出現(xiàn)了顯著的進(jìn)步，但是，由于理論和實(shí)驗(yàn)手段的制約，尤其是界面表征手

2、段的缺乏，人們對(duì)功能氧化物/半導(dǎo)體界面有關(guān)物理性質(zhì)和機(jī)制的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)有限，阻礙了功能氧化物/半導(dǎo)體異質(zhì)薄膜及其器件的進(jìn)一步發(fā)展。
　　 本論文以典型的功能氧化物/半導(dǎo)體薄膜--鐵電/AlGaN/GaN異質(zhì)薄膜的界面為主要研究對(duì)象，針對(duì)三種界面：AlGaN/GaN異質(zhì)界面、鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)界面和鐵電疇壁界面，分別研究界面二維電子氣(2DEG)、界面電荷陷阱態(tài)、極化反轉(zhuǎn)與疇壁界面運(yùn)動(dòng)的表征方法。并以此為基礎(chǔ)，研究這些界面特性與鐵電/

3、AlGaN/GaN半導(dǎo)體異質(zhì)薄膜電性能之間的關(guān)系。
　　 首先，在納米尺度上對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)界面2DEG進(jìn)行了表征研究。采用極弱電容信號(hào)的鎖相放大技術(shù)，研制了微區(qū)電容測(cè)試系統(tǒng)，局域電容的分辨率達(dá)到10aF(10-18F)。通過(guò)有限元計(jì)算模擬，分析了探針針尖與界面2DEG電容與雜散電容的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)降低雜散電容和控制針尖接觸半徑是準(zhǔn)確檢測(cè)局域2DEG電容-電壓(C-V)特性的關(guān)鍵。提出“探針電流-半徑比例法”，實(shí)現(xiàn)了界面

4、局域2DEG濃度的定量檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果與宏觀C-V測(cè)試結(jié)果具有可比性。利用該方法，發(fā)現(xiàn)2nm超薄介質(zhì)緩沖層對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)界面2DEG的C-V特性的影響起著決定性的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，保證兼容性外延生長(zhǎng)的條件下，MgO緩沖層比TiO2緩沖層更利于保持AlGaN/GaN異質(zhì)界面2DEG的原有特性。
　　 其次，研究了界面電荷陷阱的表征以及電荷陷阱對(duì)鐵電/AlGaN/GaN異質(zhì)薄膜電性能的影響。通過(guò)建立“鐵電/AlGaN”和“

5、AlGaN/GaN”界面陷阱態(tài)的等效電導(dǎo)模型，實(shí)現(xiàn)了鐵電/AlGaN/GaN異質(zhì)薄膜界面電荷陷阱的定量表征。針對(duì)鈮酸鋰型和鈣鈦礦型兩類(lèi)典型的鐵電/AlGaN/GaN異質(zhì)薄膜，系統(tǒng)研究了鐵電層結(jié)構(gòu)、緩沖層材料、復(fù)合緩沖層結(jié)構(gòu)等對(duì)界面電荷陷阱密度和分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)LiNbO3/AlGaN/GaN異質(zhì)薄膜中存在界面陷阱態(tài)和體陷阱態(tài)。兩種陷阱態(tài)具有不同的時(shí)間常數(shù)，其中，界面陷阱態(tài)是影響二維電子氣C-V回滯特性的主導(dǎo)因素，而體陷阱態(tài)是決定異質(zhì)

6、薄膜漏電機(jī)制的主要原因。與鈮酸鋰型結(jié)構(gòu)相比，鈣鈦礦型鐵電/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的界面陷阱態(tài)密度較之高出一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。采用TiO2/MgO復(fù)合緩沖層，可以將無(wú)緩沖層的PZT/AlGaN/GaN界面陷阱密度降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到1011cm.2eV-1，同時(shí)顯著改善異質(zhì)結(jié)器件的漏電特性。通過(guò)降低界面陷阱態(tài)和注入電荷，減小了界面電荷對(duì)鐵電極化的屏蔽作用，改善了鐵電極化反轉(zhuǎn)對(duì)2DEG的調(diào)制作用。
　　 最后，對(duì)鐵電極化反轉(zhuǎn)特性和電疇的

7、運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了表征研究。通過(guò)建立電極式PFM表征方法，實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)過(guò)程中電疇演變的監(jiān)測(cè)和局域壓電響應(yīng)回線的測(cè)量，解決了宏觀極化電滯回線測(cè)量無(wú)法表征鐵電/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。采用這種方法，對(duì)比研究了STO基和GaN基鐵電薄膜極化反轉(zhuǎn)過(guò)程中疇壁界面運(yùn)動(dòng)特性。發(fā)現(xiàn)PZT/SrRuO3/TiO2/GaN外延薄膜的極化反轉(zhuǎn)以微區(qū)（約1μm）到微區(qū)的“成核-融合”方式進(jìn)行，而且不同微區(qū)間新疇的成核特征時(shí)間和疇壁的運(yùn)動(dòng)速度呈彌散分布。這為解釋GaN基鐵電