BiFeO3多鐵薄膜與GaN基半導(dǎo)體的集成生長與性能研究.pdf

1、信息技術(shù)的高速發(fā)展要求電子系統(tǒng)具有更小的體積，更快的速度、更強(qiáng)的功能和更低的功耗，這導(dǎo)致了電子元器件向微型化、單片化和多功能集成化方向的發(fā)展。BiFeO3(BFO)是一種在室溫下鐵電性和鐵磁性共存的多鐵材料，其具有鐵電極化大、居里溫度高等特性，在集成電子學(xué)方面擁有巨大的應(yīng)用潛力。第三代半導(dǎo)體材料GaN具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速率高、介電常數(shù)小和擊穿場強(qiáng)高等特點(diǎn)，非常適用于制作高頻、高速、高功率、抗輻射、高集成度的電子器件和電路。如果

2、將BFO和GaN通過薄膜集成形成BFO/GaN集成薄膜，不但可以實(shí)現(xiàn)單片器件上介電無源器件和半導(dǎo)體有源器件的功能集成，而且可以應(yīng)用BFO和GaN半導(dǎo)體在界面處的耦合效應(yīng)研發(fā)出一些新型器件。但是，兩種材料具有不同的晶格結(jié)構(gòu)，生長工藝也不兼容，使得在GaN上外延生長BFO薄膜面臨一系列技術(shù)問題。本論文采用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)，對GaN基片上BFO薄膜的生長進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為BFO/GaN集成薄膜的實(shí)用化提供了一定的基礎(chǔ)。
　　

3、1.研究了插入STO/TiO2雙緩沖層對在Al2O3基片上生長BFO薄膜的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Al2O3基片上直接生長的BFO薄膜為多晶薄膜，而插入緩沖層后能夠?qū)崿F(xiàn)BFO薄膜在Al2O3基片上沿取向的外延生長，并提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。整個(gè)BFO/STO/TiO2/Al2O3異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延關(guān)系為：BFO(Ⅲ)// SrTiO3(Ⅲ)// TiO2(100)//Al2O3(0001)；BFO[1-10]/SrTiO3[1-10]//TiO2

4、[001]//Al2O3[10-10]，并且BFO薄膜形成了面內(nèi)旋轉(zhuǎn)60°相重合的雙疇結(jié)構(gòu)。電學(xué)性能測試表明，通過插入STO/TiO2雙緩沖層能夠提高BFO薄膜的鐵電性能，降低薄膜的漏電流。這些結(jié)論初步驗(yàn)證了STO/TiO2雙緩沖層的作用，為實(shí)現(xiàn)BFO與GaN的集成奠定了基礎(chǔ)。
　　2.在通過插入STO/TiO2雙緩沖層實(shí)現(xiàn)BFO薄膜在Al2O3基片上外延生長的基礎(chǔ)上，本論文探索了主要工藝參數(shù)(氧分壓和生長溫度)對BFO薄膜結(jié)構(gòu)和

5、性能的影響，優(yōu)化了BFO外延薄膜的生長工藝。
　　3.論文對在GaN(0002)基片上生長BFO薄膜進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，BFO薄膜并不按照面內(nèi)與GaN晶格失配度較小的取向生長，而是傾向于面內(nèi)旋轉(zhuǎn)30°按照BFO(Ⅲ)[1-10]//GaN(0002)[Ⅱ-20]的外延關(guān)系生長。但是在這種外延關(guān)系下BFO與GaN的晶格失配較大，BFO薄膜以島狀模式生長，生長的BFO薄膜為多晶薄膜，并具有大量的缺陷，表現(xiàn)出較差的電學(xué)性能。而通過插入

6、STO/TiO2雙緩沖層，實(shí)現(xiàn)了 BFO(Ⅲ)薄膜在 GaN基片上的外延生長。整個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延關(guān)系確定為：BFO(Ⅲ)// SrTiO3(Ⅲ)// TiO2(100)// GaN(0001)；BFO[1-10]/SrTiO3[1-10]//TiO2[001]//GaN[11-20]，并且BFO薄膜具有面內(nèi)旋轉(zhuǎn)60°相重合的雙疇結(jié)構(gòu)。性能測試表明，通過緩沖層的插入能夠使在 GaN上外延生長的BFO薄膜表現(xiàn)出與STO單晶基片上生長的BFO