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《电子科技大学》 2010年
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铁电/AlGaN/GaN半导体异质薄膜的界面表征研究

曾慧中  
【摘要】:界面是功能氧化物/半导体异质薄膜研究的重要内容。功能氧化物/半导体薄膜既具有以半导体载流子的场效应与输运性质,又具有氧化物材料丰富的功能效应,如超导、铁磁、铁电、压电、电光等。如何在功能氧化物/半导体异质界面上,将半导体的场效应与氧化物的功能效应相互集成,诱导出新现象和新效应,进而研制新型器件是当前材料和器件研究的热点之一。尽管功能氧化物/半导体异质薄膜的制备技术在近几年出现了显著的进步,但是,由于理论和实验手段的制约,尤其是界面表征手段的缺乏,人们对功能氧化物/半导体界面有关物理性质和机制的认识还相当有限,阻碍了功能氧化物/半导体异质薄膜及其器件的进一步发展。 本论文以典型的功能氧化物/半导体薄膜——铁电/AlGaN/GaN异质薄膜的界面为主要研究对象,针对三种界面:AlGaN/GaN异质界面、铁电/半导体异质界面和铁电畴壁界面,分别研究界面二维电子气(2DEG)、界面电荷陷阱态、极化反转与畴壁界面运动的表征方法。并以此为基础,研究这些界面特性与铁电/AlGaN/GaN半导体异质薄膜电性能之间的关系。 首先,在纳米尺度上对AlGaN/GaN异质界面2DEG进行了表征研究。采用极弱电容信号的锁相放大技术,研制了微区电容测试系统,局域电容的分辨率达到10 aF(10-18 F)。通过有限元计算模拟,分析了探针针尖与界面2DEG电容与杂散电容的分布规律,发现降低杂散电容和控制针尖接触半径是准确检测局域2DEG电容—电压(C-V)特性的关键。提出“探针电流—半径比例法”,实现了界面局域2DEG浓度的定量检测,测量结果与宏观C-V测试结果具有可比性。利用该方法,发现2 nm超薄介质缓冲层对AlGaN/GaN异质界面2DEG的C-V特性的影响起着决定性的作用。实验结果表明,保证兼容性外延生长的条件下,MgO缓冲层比TiO2缓冲层更利于保持AlGaN/GaN异质界面2DEG的原有特性。 其次,研究了界面电荷陷阱的表征以及电荷陷阱对铁电/AlGaN/GaN异质薄膜电性能的影响。通过建立“铁电/AlGaN”和“AlGaN/GaN”界面陷阱态的等效电导模型,实现了铁电/AlGaN/GaN异质薄膜界面电荷陷阱的定量表征。针对铌酸锂型和钙钛矿型两类典型的铁电/AlGaN/GaN异质薄膜,系统研究了铁电层结构、缓冲层材料、复合缓冲层结构等对界面电荷陷阱密度和分布的影响。研究发现LiNbO3/AlGaN/GaN异质薄膜中存在界面陷阱态和体陷阱态。两种陷阱态具有不同的时间常数,其中,界面陷阱态是影响二维电子气C-V回滞特性的主导因素,而体陷阱态是决定异质薄膜漏电机制的主要原因。与铌酸锂型结构相比,钙钛矿型铁电/AlGaN/GaN结构的界面陷阱态密度较之高出一到两个数量级。采用TiO2/MgO复合缓冲层,可以将无缓冲层的PZT/AlGaN/GaN界面陷阱密度降低一个数量级,达到1011cm-2eV-1,同时显著改善异质结器件的漏电特性。通过降低界面陷阱态和注入电荷,减小了界面电荷对铁电极化的屏蔽作用,改善了铁电极化反转对2DEG的调制作用。 最后,对铁电极化反转特性和电畴的运动特性进行了表征研究。通过建立电极式PFM表征方法,实现了反转过程中电畴演变的监测和局域压电响应回线的测量,解决了宏观极化电滞回线测量无法表征铁电/半导体结构的问题。采用这种方法,对比研究了STO基和GaN基铁电薄膜极化反转过程中畴壁界面运动特性。发现PZT/SrRuO3/TiO2/GaN外延薄膜的极化反转以微区(约1μm)到微区的“成核—融合”方式进行,而且不同微区间新畴的成核特征时间和畴壁的运动速度呈弥散分布。这为解释GaN基铁电薄膜极化反转不同于STO基铁电薄膜的经典成核限制反转机制提供了直接的实验证据,为进一步研究铁电/AlGaN/GaN异质薄膜的极化过程提供了一种新的方法。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB383.2

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