GaN基底上介电可调薄膜的外延生长及其性能研究

Dielectric-semiconductor heterostructures with multifunction and polarization- electron transport interaction properties are of great interest for electronic and optoelectronic applications. It provides a new way to develop integrated electronic devices with high performance, and would be a spotlight in the field of “more than moore” microelectronics. Voltage tunable microwave dielectrics Bi1.5XNb1.5O7(X=Zn,Mg)（BXN）will be epitaxial on the third generation semiconductor GaN substrates to form BXN/GaN heterostructure in this project. The microwave dielectric properties, dielectric response mechanism and interfaces defects will be investigated. Specifically, orientation controllable epitaxial growth of BXN thin films on GaN substrates will be achieved according to Domain Matched Epitaxial mechanism using PLD method and buffer layer. The effects of film orientation on dielectric constant, tunability, and dielectric loss will be clarified, the dielectric response mechanism of BXN will be understand deeply, and a physical model of dielectric tunability will be provided. Meanwhile, generating mechanism and distribution of defects in BXN/Buffer/GaN interfaces will be studied to provide guidance for the reducing of defects concentration.

介电/半导体人工复合结构由于具有“功能一体化”和“极化/输运调制耦合”两大特性，为开发高性能集成电子器件提供了新的思路，极有可能成为后摩尔时代微电子领域的一个发展亮点。本课题将具有介电可调性能的微波压控介质材料Bi1.5XNb1.5O7(X=Zn,Mg)（BXN）通过外延生长的方式，在第三代半导体GaN衬底上获得BXN/GaN 集成薄膜，并对其微波介电性能、介电响应机理及界面缺陷开展研究。具体为：采用PLD方法，依据畴匹配外延（Domain Matched Epitaxial，DME）机制，使用缓冲层诱导实现BXN薄膜在GaN上的取向可控外延生长；在此基础上明确BXN薄膜介电常数、介电可调性质、介电损耗与薄膜取向的关系，加深对BXN类材料介电响应机理的认识，构建介电可调特性的物理模型；同时，澄清BXN/缓冲层/GaN异质结界面处位错与氧空位等缺陷的产生机制与分布特征。

介电薄膜与半导体薄膜集成，无论在科学意义上，还是在器件应用上，都具有十分重要的研究意义。本项目针对具有介电可调特性的铋基焦绿石薄膜在宽禁带半导体GaN 衬底上的外延生长开展研究，主要研究成果包括以下4个方面：（1）研究了PLD方法实现GaN衬底上BMN薄膜的取向可控外延生长关键技术，通过溶胶-凝胶法合成了BMN纳米粉体并采用两段烧结法制备出了高纯、高致密度PLD用BMN靶材，在此基础上进行了PLD生长BMN薄膜工艺研究，分别采用ZnO缓冲层提高了BMN薄膜（222）取向外延生长质量，采用WO3缓冲层实现BMN薄膜（400）取向外延生长。（2）研究了Mist-CVD生长介电可调铋基焦绿石薄膜新技术，将Mist-CVD方法首次用于实现BMN薄膜的高度取向生长，并分析了Mist-CVD方法生长BMN薄膜的微观机制。采用超声雾化辅助方法将Bi、Zn、Mg、Nb等元素的水溶性前驱液雾化成微液滴，然后通过Ar、O2等载气将含有金属元素的微液滴传输到放置基片的石英炉中，实现了BMN氧化物薄膜的高度取向生长。（3）对BMN薄膜介电可调机理展开研究，提出了铋基焦绿石薄膜介电可调的物理模型，用Ti离子取代的BMN薄膜的实验结果对模型进行了验证，提出了一种计算铋基介电可调介质材料中离子跃迁最高势垒的方法，揭示了离子跃迁势垒分布与介电可调性能之间的关系，证实了此类材料的介电弛豫与介电可调现象都是由同样的微观过程（离子跃迁）引起的。（4）开展了GaN衬底上外延BMN薄膜的缺陷研究，分别用高分辨透射电镜和椭圆偏振光谱技术研究了不同膜层之间的晶格失配引起的界面缺陷和BMN薄膜内部的氧空位缺陷。本项目利用缓冲层诱导在GaN 衬底上实现铋基焦绿石微波介电可调薄膜取向可控外延生长的研究成果，为该类材料在GaN 单片微波集成电路领域的应用具奠定了基础。