【摘要】：鐵電薄膜與寬禁帶半導(dǎo)體的集成是面向功率電子、智能傳感等新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。在氮化鎵基高電子遷移率晶體管器件的研究中,以鐵電柵極替代傳統(tǒng)氧化物介電柵極,利用鐵電薄膜的鐵電極化效應(yīng)增強(qiáng)柵極控制,有望實(shí)現(xiàn)高電子遷移率晶體管由耗盡型向增強(qiáng)型的轉(zhuǎn)變,大大提升器件的實(shí)用性。然而通常為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料與六方相的氮化鎵存在巨大的晶格失配,在氮化鎵基襯底上沉積高質(zhì)量外延鐵電薄膜十分困難。本文在寬禁帶半導(dǎo)體GaN襯底表面外延生長(zhǎng)PMN-PT鐵電薄膜,通過深入研究外延生長(zhǎng)機(jī)理與界面晶格匹配機(jī)制,實(shí)現(xiàn)PMN-PT鐵電薄膜與GaN基半導(dǎo)體之間的高質(zhì)量外延集成,并結(jié)合研究中出現(xiàn)的電極不對(duì)稱問題,提出了用ZnO基導(dǎo)電薄膜替代傳統(tǒng)金屬電極的解決方案。本文所得的主要結(jié)論如下:(1)利用脈沖激光沉積法在無緩沖層的情況下實(shí)現(xiàn)了PMN-PT(111)薄膜在GaN(0002)襯底上的直接外延生長(zhǎng),其面內(nèi)外延關(guān)系為(111)×[-211]PMN-PT//(0002)×[11-20]GaN;(2)通過分析PMN-PT薄膜與GaN的外延關(guān)系,建立了二者之間的域外延匹配模型,闡釋了PMN-PT(111)薄膜在GaN(0002)襯底上的外延生長(zhǎng)機(jī)理;(3)所得PMN-PT薄膜具有鐵電性,剩余極化強(qiáng)度可達(dá)18.1μC/cm~2,可進(jìn)一步用于增強(qiáng)型HEMT器件開發(fā);(4)ZnO具有與GaN相同的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電類型和相近的晶格參數(shù),ZnO基導(dǎo)電氧化物薄膜,可用于GaN基HEMT器件研發(fā)過程中的測(cè)試電極,有望解決采用普通金屬電極時(shí)產(chǎn)生的電極不對(duì)稱等問題。本論文的研究工作為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN基高電子遷移率晶體管器件奠定了基礎(chǔ),對(duì)于鐵電薄膜和GaN半導(dǎo)體結(jié)合的集成鐵電器件的實(shí)用化,促進(jìn)電子系統(tǒng)的多功能集成應(yīng)用具有重要的意義。
【圖文】：

圖 1.1 不同種類的晶體管器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1.1 Illustration of different transistors.二維電子氣的特性使其很適合用于超高頻超高速的晶體管器件，如圖 1.1 所示，在晶體管中用帶有二維電子氣的異質(zhì)結(jié)構(gòu)替代原本的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，形成高電子遷移率晶體管，能夠大大提升晶體管的響應(yīng)速率，使得制備工作頻率為 GHz 及以上的晶體管器件成為可能。1.3 GaN 及 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的應(yīng)用可謂人類歷史上最偉大的發(fā)明之一，半導(dǎo)體材料制成的微電子產(chǎn)品已經(jīng)深入到我們生活的方方面面。硅、鍺作為第一代半導(dǎo)體材料，是研究的最多也是最成熟的半導(dǎo)體材料，因而至今硅仍然是大規(guī)模集成電路最主要的半導(dǎo)體材料。以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導(dǎo)體在上世紀(jì) 90 年代逐漸引入應(yīng)用，它們一定程度上滿足了部分超高速、大功率器件和集成電路的需求，其中以砷化鎵的研究最為成熟，但由于其生產(chǎn)成本過高，始終無法投入大規(guī)模應(yīng)用�，F(xiàn)階段，第三代寬禁帶半導(dǎo)體（禁帶寬度大于 2.2eV）已經(jīng)越來越受到更多研究者的關(guān)注，成為了

III-V 族化合物，除了常見的纖鋅礦(wurtzite)結(jié)構(gòu)以外，還晶體結(jié)構(gòu)，其區(qū)別只在于原子層的排列方式。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的以 ABAB 方式堆垛而成，Ga 面和 N 面交錯(cuò)排列；閃鋅礦結(jié)面為（111）面，ABCABC 的排列方式。閃鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化相，因此常用的 GaN 均為六方結(jié)構(gòu)，，其晶格參數(shù) a 和 c 分別于纖鋅礦結(jié)構(gòu)為 Ga 和 N 交錯(cuò)排列，自然也就可能出現(xiàn)表面為面的 GaN 兩種情況。但通常情況下，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相密度的 GaN 薄膜的表面為 Ga 面。時(shí)具備自發(fā)極化和壓電極化兩種性質(zhì)，其自發(fā)極化方向由 G化鎵的較強(qiáng)的壓電極化性質(zhì)是其與其他 III-V 族化合物不同的電學(xué)性能。在 GaN 基高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)中，Al構(gòu)，一方面由于組成這異質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩種材料都具有很大的禁擊穿能力，另一方面 AlGaN 和 GaN 的導(dǎo)帶底能級(jí)相差較大發(fā)極化效應(yīng)，在界面處形成能級(jí)突變，產(chǎn)生深而窄的勢(shì)阱，電子氣，這使得其成為功率電子器件應(yīng)用中的理想材料。
【學(xué)位授予單位】：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN386

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