基于LiNbO3铁电极化调制的GaN基增强型HEMT的制备与性能研究

Ferroelectric oxides with switchable polarization show multifunctional properties, such as ferroelectric, dielectric, piezoelectric and pyroelectric properties. GaN semiconductor with wide bandgap, high saturation velocity, high critical electrical field and good chemical and thermal conductivity has been widely used in high-power, high-frequency devices. The fabrication of artificial structures with epitaxial ferroelectric films on GaN will realize all-in-one multifunction and modulation of transport properties of semiconductors to accelerate the development of new electronic devices. In this proposal, LiNbO3 ferroelectric films will be integrated with AlGaN/GaN due to similar structure. Epitaxial growth will be realized by using nanometer-size ZnO bufferlayer to obtain low and controllable interfacial state density. The existing polarization charges by controlling ferroelectric domains at interface can deplete carriers in channel of AlGaN/GaN; and enhanced-mode characteristics with off-state at zero gate voltage can be observed. In addition, the modulation mechanism of ferroelectric polarization on carrier transportation in channel will also explored, and the device fabrication technology compatible with traditional semiconductor processing methods will be studied. Based on above-mentioned works, a new and more useful GaN-base HEMT (high-electron-mobility-transistor) fabrication method can be found to meet the impending demands on high-power, high-frequency GaN devices.

铁电材料以自发电极化为特征，具有铁电、介电、压电和热释电等功能特性；第三代半导体GaN由于其宽禁带、高电子饱和漂移速度、高热稳定性和高击穿场等被用于高频、高功率器件中。在GaN上外延生长氧化物铁电薄膜而构成人工新结构，会出现两类材料性能的调制耦合，为制备具有多功能集成及调制耦合新效应的电子器件提供新的思路。本项目拟在AlGaN/GaN上制备LiNbO3铁电薄膜，通过纳米尺度的ZnO缓冲层来实现界面态密度可控的外延生长；通过铁电畴取向控制,来实现界面极化电荷耗尽半导体沟道载流子，获得常关态的AlGaN/GaN增强型特征。并且研究铁电极化对沟道载流子输运特性作用机理；解决与半导体工艺相兼容的器件加工技术。因而，通过探索拟找到一种基于电极化作用的GaN基高迁移率晶体管（HEMT）增强型器件的新方法，以满足对高频、大功率GaN基电子器件的迫切需要。

本项目选取铁电薄膜材料铌酸锂（LiNbO3，简称LN）与宽禁带半导体GaN进行集成，通过ZnO纳米层的界面修饰方法研制出一种具有重要应用价值的常关态LN/AlGaN/GaN增强型场效应管新器件。围绕该集成结构的极化调制和耦合效应开展了系统研究，发现铁电极化对二维电子气（2DEG）的耗尽作用。.首先，通过制备工艺的优化，在GaN表面沉积LN铁电薄膜，构建出LN/GaN集成结构。对其电性能进行研究并发现：通过两种极化（GaN半导体的自发极化和LN薄膜的铁电极化）的耦合作用，该集成薄膜表现出明显的铁电极化调制效应。其次，在无任何外加电场预极化处理的条件下，在LN/AlGaN/GaN集成结构中，利用AlGaN/GaN半导体表层Ga离子的诱导作用，使LN薄膜表现出择优取向铁电极化特征，该铁电极化对2DEG具有耗尽作用。再次，利用掩模层方法，解决了LN薄膜难以湿法刻蚀的困难，并利用铁电极化对2DEG的耗尽作用，研制出一种LN/AlGaN/GaN增强型场效应管器件，其开启电压可达到+1.0 V。进一步利用ZnO纳米层对界面的修饰作用，显著提高了器件的电性能，最大输出电流由97 mA/mm增加到204 mA/mm，最大跨导由27 mS/mm增加到46 mS/mm。最后，将ZnO纳米层对集成结构的界面控制方法延伸到Si的异质结构中，形成了LN/ZnO/Si集成结构，所制备的LN薄膜具有单一C轴取向性，并发现了铁电极化对半导体硅的载流子的调制效应。.因此，通过ZnO纳米尺度的缓冲层方法，在AlGaN/GaN上制备了基于LN铁电薄膜的增强型场效应管器件。本项目的研究不仅为研制高密度、低功耗、多功能电子器件提供了新的材料选择，又为实现信息探测、传输和存储等多功能的单片集成发展了新的途径。