AlGaN-GaN上STO薄膜的制備以及電學(xué)性能研究.pdf

1、鈦酸鍶(SrTiO3)是一種典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)介電材料，具有介電常數(shù)很高、介電損耗低、溫度穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種電子器件。GaN是第三代半導(dǎo)體，具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，其優(yōu)異的電學(xué)性能在大功率、高溫高頻和高速半導(dǎo)體器件中有著不可替代的作用。通過調(diào)制摻雜后形成的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)具有很高的載流子濃度和電子遷移率，在低噪聲高電子遷移率晶體管(HEMT)中有著極為廣泛的應(yīng)用。將介電材料 SrTiO3

2、與AlGaN/GaN通過固態(tài)薄膜的形式生長在一起，形成介電/半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高K介電材料與半導(dǎo)體材料的多功能集成，促進(jìn)電子系統(tǒng)小型化，為實(shí)現(xiàn)更高性能的電子器件提供了可能。
　　SrTiO3與AlGaN晶格失配大，直接外延生長困難，而且SrTiO3與AlGaN之間的界面擴(kuò)散嚴(yán)重影響了復(fù)合薄膜的電學(xué)性能。本論文采用TiO2、MgO、TiO2/MgO緩沖生長的方式探索了大晶格失配體系下SrTiO3/AlGaN異質(zhì)薄膜的外延生長，并對

3、其電學(xué)性能進(jìn)行了研究，通過正負(fù)偏壓溫度處理方法分析了可動(dòng)電荷密度，采用高頻準(zhǔn)靜態(tài)(HF-QS)方法研究了異質(zhì)薄膜的界面特性，得到了優(yōu)化的生長工藝條件。主要內(nèi)容如下：
　　1．直接在低溫下生長了SrTiO3薄膜，發(fā)現(xiàn)在低溫下，由于大晶格失配，SrTiO3無法在AlGaN上結(jié)晶，制得的SrTiO3/AlGaN/GaN異質(zhì)薄膜可動(dòng)電荷密度大，為2.87×1012/cm2，而且界面擴(kuò)散嚴(yán)重，界面態(tài)密度為Ns=2.66×1013/cm2，在

4、-5V時(shí)漏電流密度為3.83×10-4A/cm2。
　　2．采用TiO2緩沖在低溫下外延生長了結(jié)晶良好的(111)取向的SrTiO3薄膜。研究表明，TiO2可以作為后續(xù)生長SrTiO3薄膜的模板層或誘導(dǎo)取向生長的種子層，從而可以大幅度的降低SrTiO3薄膜的結(jié)晶溫度，有利于SrTiO3與半導(dǎo)體的復(fù)合生長。制得的SrTiO3/TiO2/AlGaN/GaN異質(zhì)薄膜可動(dòng)電荷密度較小，為1.3831012/cm2，界面態(tài)密度為2.4431

5、012/cm2，與直接生長的SrTiO3薄膜相比，在-5V時(shí)漏電流下降了一個(gè)數(shù)量級，為2.13×10-5A/cm2。
　　3．采用MgO緩沖生長了結(jié)晶良好的(100)取向的SrTiO3薄膜，研究表明，MgO具有良好的界面控制作用，而且禁帶寬度高，為7.78eV，可以有效的阻止電子的注入，從而降低漏電流。制得的SrTiO3/MgO/AlGaN/GaN異質(zhì)薄膜的界面態(tài)密度較小，為1.3331012/cm2，可動(dòng)電荷密度為1.02×10

6、12/cm2，與直接生長的SrTiO3薄膜相比，在-5V時(shí)漏電流下降了一個(gè)數(shù)量級，為1.62×10-5A/cm2。
　　4．采用TiO2/MgO復(fù)合緩沖生長了(111)取向的SrTiO3薄膜。研究表明，TiO2/MgO復(fù)合緩沖層兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，既誘導(dǎo)了SrTiO3薄膜的生長，降低了晶格缺陷，又阻擋了SrTiO3與AlGaN之間的相互擴(kuò)散。界面態(tài)密度6.8×1011/cm2，可動(dòng)電荷密度均較小，為7.67×1011/cm2，與直接