氧化鈦薄膜生長及鐵電集成性研究.pdf

1、BST類鐵電材料與GaN為代表的第三代半導體材料是二類典型的電子材料，具有重要的科研價值和廣泛的應用前景。將BST類鐵電材料與具有電子輸運特性的半導體材料通過固態(tài)薄膜的形式集成，并利用這種集成薄膜的一體化特性，可以實現(xiàn)有源-無源的多功能器件集成化和模塊化，增強系統(tǒng)功能，提高集成度。但是，BST類鐵電材料為立方鈣鈦礦結構，GaN基半導體材料為六方纖鋅礦結構，二者晶格失配大，生長工藝不兼容，不易實現(xiàn)外延生長；同時，鐵電材料具有極強的各向異性

2、，因此尋找一種可靠方法在六方纖鋅礦結構材料上制備高質(zhì)量的取向鐵電薄膜對實現(xiàn)鐵電/半導體的集成具有重要的研究意義。 本文中采用TiO2作為實現(xiàn)BST/GaN異質(zhì)集成的緩沖層，通過對TiO2薄膜的晶相與取向的控制達到誘導上層鐵電薄膜取向生長的目的。 首先，采用脈沖激光沉積法在Al2O3(0006)襯底上制備TiO2薄膜，探索生長溫度、氧分壓、激光能量密度等工藝參數(shù)對TiO2薄膜的晶相結構、表面形貌的影響，得到了晶相與取向可控

3、的擇優(yōu)工藝參數(shù)。 其次，采用激光分子束外延法在Al2O3(0006)基片上用金紅石相TiO2緩沖層誘導BST外延薄膜，分別研究了沉積溫度、緩沖層厚度對上層BST薄膜生長的影響。實驗結果表明，在與半導體工藝溫度、氣氛兼容的條件下通過緩沖層誘導實現(xiàn)高質(zhì)量外延BST(111)薄膜，而未用緩沖層得到的是多晶結構的BST薄膜。對BST/SRO/TiO2/Al2O3集成鐵電薄膜的電學性能測試表明，緩沖層的誘導提高了BST薄膜的鐵電性能，為進

4、一步實現(xiàn)BST/GaN的集成奠定基礎。 最后，在GaN基片上制備BST薄膜，實現(xiàn)鐵電/半導體一體化生長。在擇優(yōu)工藝條件下研究了在GaN基片上TiO2薄膜的生長，緩沖層誘導對BST薄膜表面形貌和微結構的影響，得到了單一取向的BST(111)薄膜，薄膜與襯底間的外延匹配關系為：(111)[1-10]BST//4(100)[001]TiO2//(0001)[11-20]GaN。對BST/GaN集成薄膜的C-V，P-E，以及I-V特性曲