铁电-GaN半导体薄膜外延集成及器件研究

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1、学校代码：10259学号：156081124密级：上海应用技术大学硕士学位论文题目：铁电-GaN半导体薄膜外延集成及器件研究英文题目：EpitaxialIntegrationofFerroelectric-GaNSemiconductorFilmsandDevices专业：材料化学工程学院：材料科学与工程研究方向：功能薄膜制备及性能研究姓名：徐小科指导教师：徐家跃教授/李效民研究员二零一八年五月二十四日铁电-GaN半导体薄膜的外延集成及器件研究摘要铁电薄膜与宽禁带半导体的集成是面向功率电子、智能传感等新兴高技术产业应用的关键技术。在氮化镓基

2、高电子迁移率晶体管器件的研究中，以铁电栅极替代传统氧化物介电栅极，利用铁电薄膜的铁电极化效应增强栅极控制，有望实现高电子迁移率晶体管由耗尽型向增强型的转变，大大提升器件的实用性。然而通常为钙钛矿结构的铁电材料与六方相的氮化镓存在巨大的晶格失配，在氮化镓基衬底上沉积高质量外延铁电薄膜十分困难。本文在宽禁带半导体GaN衬底表面外延生长PMN-PT铁电薄膜，通过深入研究外延生长机理与界面晶格匹配机制，实现PMN-PT铁电薄膜与GaN基半导体之间的高质量外延集成，并结合研究中出现的电极不对称问题，提出了用ZnO基导电薄膜替代传统金属电极的解决方案。

3、本文所得的主要结论如下：(1)利用脉冲激光沉积法在无缓冲层的情况下实现了PMN-PT(111)薄膜在GaN(0002)衬底上的直接外延生长，其面内外延关系为(111)×[-211]PMN-PT//(0002)×[11-20]GaN；(2)通过分析PMN-PT薄膜与GaN的外延关系，建立了二者之间的域外延匹配模型，阐释了PMN-PT(111)薄膜在GaN（0002）衬底上的外延生长机理；2(3)所得PMN-PT薄膜具有铁电性，剩余极化强度可达18.1μC/cm，可进一步用于增强型HEMT器件开发；(4)ZnO具有与GaN相同的结构、导电类型和

4、相近的晶格参数，ZnO基导电氧化物薄膜，可用于GaN基HEMT器件研发过程中的测试电极，有望解决采用普通金属电极时产生的电极不对称等问题。本论文的研究工作为进一步实现增强型GaN基高电子迁移率晶体管器件奠定了基础，对于铁电薄膜和GaN半导体结合的集成铁电器件的实用化，促进电子系统的多功能集成应用具有重要的意义。关键词：铌镁钛酸铅薄膜；氮化镓；外延集成；高电子迁移率晶体管EpitaxialIntegrationofFerroelectric-GaNsemiconductorFilmsandDevicesAbstractTheintegrati

5、onofferroelectricfilmwithwideband-gapsemiconductoristhekeytechnologyforthefutureapplicationsinpowerelectronicsandsmartsensorsystems.IntheresearchofGaNbasedhighelectronmobilitytransistors(HEMTs),usingferroelectricgateinsteadoftraditionaloxidegate,isaeffectivewaytoattainenha

6、nced-modeHEMTs.However,thereisabigchallengetodepositqualityepitaxialferroelectricfilmsonGaNsubstratesbecauseofthemismatchbetweenperovskiteferroelectricmaterialsandwurtziteGaN.InthispaperwestudiedthemechanismofepitaxialgrowthduringthePMN-PTfilmsdepositionontheGaNsubstrates,

7、andsuccessfullyattainedthehighqualityintegrationofPMN-PTfilmsonGaNsubstrates.ThenweproposedusingZnOconductivefilmsinsteadofmetalelectrodesinordertosolvetheasymmetryofelectrodesintheresearchofHEMTs.Themainconclusionsareasfollows:(1)PMN-PTfilmswereepitaxiallygrownonGaN/sapph

8、iresubstratesviapulsedlaserdepositionwithoutanyintermediatedbufferlayers.The(111)oriented