介电/半导体集成薄膜的分子束外延生长与界面控制研究

本项目以微波功率器件为背景，采用反应分子束外延技术，将铁电材料与GaN进行集成。建立起铁电/GaN异质结物理模型，计算铁电/GaN异质界面能带结构及载流子输运特性，揭示出铁电薄膜与半导体之间相互作用的物理本质；在系统研究铁电/GaN集成薄膜外延生长动力学的基础上，重点探索铁电/GaN界面结构的演化规律及其控制方法，通过缓冲层的变化调控铁电/GaN界面态密度，在铁电/GaN界面实现高浓度二维电子气；以铁电极化搀杂HEMT器件为原型，探索铁电与半导体之间的调制耦合效应，重点研究铁电薄膜对半导体载流子输运特性的影响规律，掌握铁电/GaN异质结二维电子气的应用原理。本项目研究不仅将直接为微波功率器件研制提供一条全新的思路，从而导致新一代功率电子器件的诞生，还可进一步扩展到压电、热释电等其它极性介电材料与GaN的集成，为声、光、热单片集成阵列传感器研制提供材料基础，从而实现全集成多模探测。

介电功能材料和半导体材料已成为各种电子器件中使用最为普遍、最具代表性的两类典型电子材料。随着电子信息系统向体积更小、功能更多、性能更强的方向发展，电子材料的薄膜化与集成化已成为主要的发展趋势。因此，将介电材料以固态薄膜的形式与半导体进行集成已成为当前电子材料研究的前沿和热点之一。本项目以微波功率器件为背景，采用反应分子束外延技术，将铁电材料与GaN 进行集成，研究探索两类材料的性能耦合机理、界面可控生长以及新效应和新性能在集成器件中的应用。经过四年的研究，取得了一系列的研究成果。首先我们采用第一性原理与电荷控制模型的联合自洽求解方法，计算出铁电/GaN 异质界面能带结构及载流子输运特性，发现了铁电薄膜与半导体之间相互作用的物理本质；其次在系统研究铁电/GaN集成薄膜外延生长动力学的基础上，发现了铁电/GaN 界面结构的演化规律及其控制方法，在研究中针对两类典型的介电薄膜材料立方对称SrTiO3和六方LiNbO3与GaN的生长控制，通过纳米缓冲层的调控,实现了低界面态密度的介电/GaN的生长制备。对于STO/GaN结构，采用TiO2/MgO纳米组合缓冲层方法，实现了立方对称铁电薄膜的可控生长；对于六方对称的LN/GaN结构，采用纳米自缓冲方法，得到外延生长的LN薄膜。最后，通过集成器件制备工艺方法的研究，得到与半导体工艺相兼容的方法，研究制备出以极化电荷调制的HEMT器件，并发现了常关态的GaN基增强型特征。.通过研究，本项目在国内外的期刊上共计发表论文32篇，其中英文论文29篇（APL两篇，JAP六篇）；申请中国发明专利六项，已经获得授权三项。此外，项目研究人员在国内外学术会议上，做大会邀请报告和分会邀请报告十多次。.因此本项目研究，不仅为高性能电子器件的研制提供了新的思路、新的方法和新材料结构，也将会进一步推动电子系统单片集成化的快速发展。