多元氧化物功能材料, 具有鐵電、壓電、熱釋電、高k介電、軟磁、磁電, 以及電光、聲光和非線性光學(xué)等多種性能, 在電阻、電容、電感、微波電路元件以及其他無源電子器件中有重要和廣泛的應(yīng)用. 半導(dǎo)體材料具有電子輸運特性, 是微電子和光電子工業(yè)的材料基礎(chǔ). 自1946年人類發(fā)現(xiàn)第一個半導(dǎo)體材料Ge以來, 已形成以Si, GaAs,GaN,SiC,InP為主的材料體系, 成為各種有源電子器件的支撐主體.

　　近年來, 電子信息系統(tǒng)的微小型化和單片化的發(fā)展, 不斷促進(jìn)電子材料的薄膜化和電子器件的片式化的快速發(fā)展. 為此, 將功能氧化物材料與半導(dǎo)體材料通過固態(tài)薄膜的形式生長在一起, 形成介電/半導(dǎo)體人工復(fù)合結(jié)構(gòu)(單層、多層甚至超晶格), 利用這種集成薄膜的一體化特性, 可將介電無源器件與半導(dǎo)體有源器件集成, 實現(xiàn)有源-無源的多功能集成化和模塊化, 增強(qiáng)集約化的系統(tǒng)功能, 促進(jìn)電子系統(tǒng)小型化和單片化. 同時, 在介電/半導(dǎo)體復(fù)合薄膜中, 可利用介電材料大的極化和由于界面晶格失配引入的大的界面應(yīng)變, 來調(diào)控半導(dǎo)體的輸運特性(載流子濃度和遷移率等), 有可能通過界面誘導(dǎo)和耦合出現(xiàn)更高性能的半導(dǎo)體特性, 從而為新材料和新器件制備提供可能.

　　目前在Si基上集成高k柵介質(zhì)的研究工作較多, 有關(guān)介電材料和半導(dǎo)體ZnO, GaAs等復(fù)合薄膜的研究也有報道. 但由于Si和GaAs熱穩(wěn)定性的限制, 在界面處易形成非晶層SiOx或GaOx, 對界面誘導(dǎo)介電薄膜的外延生長和輸運性能會產(chǎn)生負(fù)面作用. 所以可以看到, 在介電和半導(dǎo)體的復(fù)合生長中主要存在兩個問題: 一是如何協(xié)同生長, 二是復(fù)合生長后的性能變化. 介電薄膜一般是在高溫、有氧氣氛下生長, 而半導(dǎo)體是在低溫、無氧高真空下生長, 兩者的生長溫度相差數(shù)百度, 真空度相差幾個數(shù)量級, 加之兩者的晶格失配度大(>10%), 生長機(jī)制不一致, 介電/半導(dǎo)體集成薄膜的生長方法及界面的行為與單一材料有著極大不同. 因此, 探索一種針對兩種材料都能協(xié)同進(jìn)行的生長方法是非常重要的. 另外, 對于這種集成薄膜往往不是簡單的一體化, 不是簡單的性能疊加. 介電與半導(dǎo)體層很可能會通過異質(zhì)界面相互影響、相互調(diào)制. 因此, 對介電/半導(dǎo)體界面特性的有效控制, 通過成分和結(jié)構(gòu)有序變化的清晰界面間耦合, 極可能實現(xiàn)對物理效應(yīng)的有效傳遞并耦合出新性能.

　　由于介電/半導(dǎo)體復(fù)合薄膜的生長和性能研究有著極大的科學(xué)研究價值和重要的應(yīng)用背景, 已逐漸引起了美國DOE和DARPA等國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注和資助, 并在理論和實驗上進(jìn)行了一定的探索. 例如, 2004年Yale大學(xué)的Ahn等人通過第一性原理計算預(yù)測氧化物薄膜與半導(dǎo)體薄膜的復(fù)合將會產(chǎn)生新效應(yīng)和新器件; 2005年, Michigan 大學(xué)研究人員從理論上探索了介電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中介電極化對半導(dǎo)體載流子輸運特性的強(qiáng)烈影響. 對介電/半導(dǎo)體復(fù)合薄膜的實驗研究,主要集中在硅襯底上生長可替代傳統(tǒng)MOS器件上的柵介質(zhì)層SiO2的高介電常數(shù)介質(zhì)材料, 如在Si上制備納米厚度的非晶LaAlO3和CaZrO3介質(zhì)層, 在Si上外延生長SrTiO3或BaTiO3介電薄膜. Motorola公司研究人員在第二代半導(dǎo)體GaAs上, 也探索了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物薄膜的生長行為. 德國Leipzig大學(xué)制備了ZnO/BaTiO3/ZnO三明治結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)了ZnO對鐵電極化的釘扎效應(yīng).

　　GaN作為寬帶隙第三代半導(dǎo)體材料, 具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、載流子遷移率高、抗輻射能力強(qiáng)等特點, 在微電子與光電子器件中有著廣泛的應(yīng)用, 同時, 由于GaN外延膜的熱穩(wěn)定性好, 生長溫度高, 便于氧化物介電薄膜生長后對界面態(tài)的有效控制. 因此, 本文主要研究了有關(guān)介電/寬禁帶GaN復(fù)合薄膜的生長與界面控制. 近兩年來, 國外各研究小組在GaN半導(dǎo)體上也進(jìn)行了氧化物功能材料生長研究. 例如, 2005年, Yale大學(xué)一研究小組在GaN上制備了外延的鐵磁YMnO3薄膜; 2006年, West Virginia大學(xué)采用分子束外延方法在GaN上制備了YMnO3薄膜; 2007年, 賓夕法尼亞州立大學(xué)在GaN上制備了外延的多鐵BiFeO3薄膜等. 此外, 國外也有在AlGaN/GaN生長鐵電薄膜, 采用鐵電極化調(diào)控半導(dǎo)體溝道的二維電子氣的濃度, 發(fā)現(xiàn)在GaN上直接沉積的氧化物Pb(ZrTi)O3為多晶結(jié)構(gòu), 并且對半導(dǎo)體載流子的作用沒有明顯的正效應(yīng).

　　總之, 國內(nèi)外對介電材料和GaN半導(dǎo)體復(fù)合生長研究工作才剛剛展開. 目前, 復(fù)合生長方法主要是反應(yīng)分子束外延(R-MBE)和激光分子束外延(L-MBE)方法. 我們主要采用L-MBE方法, 實現(xiàn)在原子尺度上介電/半導(dǎo)體復(fù)合薄膜的可控生長.

1、介電/半導(dǎo)體復(fù)合薄膜生長控制實驗過程與方法

　　本研究中, 采用激光分子束外延(laser-molecular beam epitaxy)設(shè)備制備氧化物薄膜, 激光器采用德國LAMBDA PHYSIK公司生產(chǎn)的脈沖寬度為30 ns, 激光波長為248 nm的KrF準(zhǔn)分子激光器, 其單脈沖能量在100~500 mJ可調(diào), 頻率范圍為1~10 Hz. 在薄膜生長平臺上, 配置了反射式高能電子衍射(RHEED), 可原位實時測量薄膜的生長模式的變化及應(yīng)變馳豫過程, 25 kV的高能電子以1°~3°掠角入射到薄膜表面, 衍射圖案由CCD觀測, 并與計算機(jī)連接, 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和圖像處理, 其示意圖如圖1所示.

圖1 激光分子束外延設(shè)備示意圖

　　實驗中采用SrTiO3和TiO2陶瓷靶, 基片為GaN (0002)/AlN(0002)/Al2O3(000l)外延片. L-MBE的生長室背底真空為1×10−5 Pa, 我們分別在500℃, 600℃, 700℃下直接在GaN外延片上生長STO薄膜.本研究中采用日本Seiko儀器公司的SPA- 300HV原子力顯微鏡(AFM)分析薄膜表面形貌; 采用Bede公司D1型高分辨X射線衍射儀對薄膜微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和表征; 采用JEOL JEM 2010高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)分析樣品斷面微結(jié)構(gòu).

2、介電/半導(dǎo)體復(fù)合薄膜生長控制結(jié)果與討論

　　SrTiO3(STO)介電材料為立方對稱ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu), STO(111)面具有與纖鋅礦結(jié)構(gòu)六方對稱的GaN(000l)面相近的原子排列. 一般認(rèn)為在GaN半導(dǎo)體上生長立方晶系的薄膜時, (111)//(0002)是最低能量生長面, 其面內(nèi)可能的外延關(guān)系為(111)[1−10]STO// (0001)[11−20]GaN. 在這種外延模式下, 其失配度大約為11%~14%, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通常情況下實現(xiàn)薄膜外延的晶格失配度, 在STO生長過程中界面處會存在面內(nèi)的雙軸應(yīng)力會直接影響薄膜的結(jié)構(gòu). 為了降低GaN與STO薄膜之間的晶格失配導(dǎo)致的界面應(yīng)力, 需要在兩者之間插入適當(dāng)?shù)木彌_層. 一般來說, 絕緣體緩沖層的選取必須滿足: (1) 與基片和薄膜的晶格失配均較小; (2) 緩沖層有較高的熱力穩(wěn)定性, 減小生長過程中的界面反應(yīng)和界面擴(kuò)散; (3) 較高的介電常數(shù), 減小其上的電壓分量.