氧化钛薄膜生长及铁电集成性研究

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BST类铁电材料与GaN为代表的第三代半导体材料是二类典型的电子材料,具有重要的科研价值和广泛的应用前景。将BST类铁电材料与具有电子输运特性的半导体材料通过固态薄膜的形式集成,并利用这种集成薄膜的一体化特性,可以实现有源-无源的多功能器件集成化和模块化,增强系统功能,提高集成度。但是,BST类铁电材料为立方钙钛矿结构,GaN基半导体材料为六方纤锌矿结构,二者晶格失配大,生长工艺不兼容,不易实现外延生长;同时,铁电材料具有极强的各向异性,因此寻找一种可靠方法在六方纤锌矿结构材料上制备高质量的取向铁电薄膜对实现铁电/半导体的集成具有重要的研究意义。本文中采用TiO2作为实现BST/GaN异质集成的缓冲层,通过对TiO2薄膜的晶相与取向的控制达到诱导上层铁电薄膜取向生长的目的。首先,采用脉冲激光沉积法在Al2O3(0006)衬底上制备TiO2薄膜,探索生长温度、氧分压、激光能量密度等工艺参数对TiO2薄膜的晶相结构、表面形貌的影响,得到了晶相与取向可控的择优工艺参数。其次,采用激光分子束外延法在Al2O3(0006)基片上用金红石相TiO2缓冲层诱导BST外延薄膜,分别研究了沉积温度、缓冲层厚度对上层BST薄膜生长的影响。实验结果表明,在与半导体工艺温度、气氛兼容的条件下通过缓冲层诱导实现高质量外延BST(111)薄膜,而未用缓冲层得到的是多晶结构的BST薄膜。对BST/SRO/TiO2/Al2O3集成铁电薄膜的电学性能测试表明,缓冲层的诱导提高了BST薄膜的铁电性能,为进一步实现BST/GaN的集成奠定基础。最后,在GaN基片上制备BST薄膜,实现铁电/半导体一体化生长。在择优工艺条件下研究了在GaN基片上TiO2薄膜的生长,缓冲层诱导对BST薄膜表面形貌和微结构的影响,得到了单一取向的BST(111)薄膜,薄膜与衬底间的外延匹配关系为:(111)[1-10]BST//(100)[001]TiO2//(0001)[11-20]GaN。对BST/GaN集成薄膜的C-V,P-E,以及I-V特性曲线的测试发现,BST薄膜剩余极化值为2Pr=12.3μC/cm2,漏电流密度在1×10-12A/cm21×10-7A/cm2范围内,说明通过缓冲层诱导后BST薄膜获得良好结晶质量和取向,同时亦显著提高其铁电性能。
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