[发明专利]ABO3/TiO2/MgO/Ⅲ-V族氮化物半导体异质结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子材料领域，具体涉及应用于钙钛矿氧化物功能 材料与六方III-V族氮化物半导体宽禁带半导体集成中氧化物与宽 禁带半导体能带匹配和氧化物薄膜生长取向的异质结结构设计及制 备技术。

背景技术

GaN、AlN、InN等六方III-V族氮化物半导体是典型的第三代 宽禁带半导体，具有禁带宽度宽、击穿电场高、热导率大、载流子迁 移率高、抗辐射能力强等特点，在微电子与光电子器件中有广泛的应 用。由于GaN、AlN等具有一定的压电极化和自发极化，使得 AlGaN/GaN结构中能够在不掺杂的情况下形成浓度高达10¹³cm^-2的 二维电子气。因此，GaN基材料在高功率密度、高频、高速电子器件 领域具有极其广泛的应用前景。随着III族氮化物材料合金组分的改 变，其材料的禁带宽度可以从InN的1.9eV连续变化到GaN的3.4eV， 再到AIN的6.2eV。这样通过调节材料组分，III-V族氮化物材可以 覆盖光谱中整个可见光及远紫外光范围，还没有一种其它材料体系具 有如此宽的和连续可调的直接带隙，这一性能被广泛用于光电探测 器、发光二极管等器件。

ABO₃钙钛矿材料是一类具有广泛应用前景的氧化物材料，具有 高介电常数、铁电、压电、热释电、光电等丰富物理特性。ABO₃金 属氧化物中A元素通常为Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Bi、La中的一种 元素，B元素通常为Ti、Zr、Fe、Ru、Ni中的一种元素。为了改善 材料的性能，ABO₃氧化物通常需要相互形成固溶体或者掺入少量的 稀土元素。在GaN基器件中，介质材料对于器件性能的改善和可靠 性的提高起着重要的作用。比如通过介质薄膜进行表面钝化可以有效 降低电流崩塌效应，提高载流子浓度降低半导体方阻；与金属栅肖特 基结器件相比，采用栅介质薄膜材料的MOS器件具有低栅极漏电流， 器件功耗小等优势。因此，介质薄膜对改善GaN基半导体器件的性 能起着十分重要的作用。目前常用的介质材料多为二氧化硅、氧化铝、 氧化铪等介电常数在10～20之间的低k材料。但是随着器件体积的 不断缩小，要求栅介质的等效氧化层厚度(EOT)越来越小，要求器 件中采用的介质材料k值更高。SrTiO₃薄膜具有介电常数大(＞100)， 热稳定性高等特点，能够满足器件小型化的对介质薄膜EOT厚度的 要求。将具有铁电性的ABO₃材料与半导体集成可以制作铁电存储器。 利用锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶钡(BST)等铁电材料作为栅介质，可 翻转的铁电极化能够对半导体导电沟道中的载流子输运特性产生影 响。当铁电极化状态发生变化时，使得MFS器件的C-V曲线形成逆 时针窗口，源、漏电流的大小发生改变，从而实现信息存储。更进一 步，ABO₃材料的铁电、压电、热释电特性在MIS结构中所产生的界 面电荷可能通过界面的传递作用改变半导体中的载流子浓度，使之随 外加应力、温度等参数的变化而变化。这些耦合效应可用作制备压敏 传感器、温度传感器等器件，也可能增强半导体的性能。此外，ABO₃氧化物材料具有红外热释电、光学非线性等光学特性，因此ABO₃氧 化物与GaN半导体集成薄膜在光电探测等光电领域也有巨大的应用 前景。因此，实现ABO₃氧化物与GaN半导体集成薄膜在电子器件 和光电器件等领域有着广泛的应用前景。