鈮酸鋰-半導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、最具代表性的兩類典型電子材料。隨著電子信息系統向體積更小、功能更多、性能更強的方向發(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。因此，將介電材料以固態(tài)薄膜的形式與半導體進行集成已成為當前電子材料研究的前沿和熱點之一。一方面，利用該類集成結構的一體化特征，可將介電無源器件與半導體有源器件進行集成，實現有源—無源的多功能集成，促進電子系統小型化和單片化；另一方面，利用介電材料的

2、極化等性能對半導體的輸運性質進行調制，可誘導和耦合產生新的性能，為新型電子器件的研制提供新思路。本論文針對上述背景選取鈮酸鋰（LiNbO3，簡稱LN）鐵電薄膜材料與寬禁帶半導體 GaN進行集成，構建出 LN/GaN極化耦合結構，重點圍繞該集成結構的極化調制和耦合效應開展了系統的研究，并利用鐵電極化對二維電子氣（2DEG）的耗盡作用，研制出一種具有重要應用價值的常關態(tài) LN/AlGaN/GaN增強型場效應管新器件。同時，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/半導體集成薄膜的界面結構。
　　首先，本論文通過對AlGaN/GaN半導體上LN薄膜的組分調控規(guī)律研究，發(fā)現了Li空位對2DEG的俘獲效應。根據該試驗現象，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“寫入”的操作機理，拓展了AlGaN/GaN半導體的應用領域。測試結果表明：即使在較高溫度條件下（300℃），該類器件的信息保持時間仍會超過10年。

4、r>　　其次，通過在GaN表面沉積LN鐵電薄膜，構建出LN/GaN集成結構，并對其電性能進行研究。研究結果表明：通過兩種極化（GaN半導體的自發(fā)極化和LN薄膜的鐵電極化）的耦合作用，該集成薄膜表現出明顯的鐵電極化調制效應。在此基礎上，進一步設計出 LN/AlGaN/GaN集成結構，深入探討了鐵電極化對二維電子氣（2DEG）的調制作用。研究結果表明：在外加電場的作用下，LN薄膜的鐵電極化發(fā)生反轉，使2DEG的濃度增加（△ns），最大△ns

5、約為7.36×1011/cm2，該特征在其它同類集成結構中尚未被發(fā)現和報道。
　　再次，在無任何外加電場預極化處理的條件下，在 LN/AlGaN/GaN集成結構中，利用AlGaN/GaN半導體表層Ga離子的誘導作用，使LN薄膜表現出擇優(yōu)取向鐵電極化特征，該鐵電極化對2DEG具有耗盡作用，這為研制GaN增強型場效應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2DEG的

6、耗盡作用，首次研制出一種LN/AlGaN/GaN增強型場效應管器件，其開啟電壓可達到+1.0 V。利用ZnO納米層對界面的修飾作用，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，最大跨導由27 mS/mm增加到46 mS/mm。該項研究內容為發(fā)展低功耗GaN邏輯電路提供了一種全新的方法。
　　同時，將ZnO納米層對集成結構的界面控制方法延伸到Si的異質結構中，形成了LN/ZnO/Si集成結構，所制