[发明专利]一种在氮化镓衬底上外延生长高质量铌镁钛酸铅薄膜的方法

说明书

本发明涉及一种在氮化镓衬底上外延生长高质量铌镁钛酸铅薄膜的方法，所述铌镁钛酸铅薄膜的复合化学式为(1‑x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃‑xPbTiO₃，其中0＜x＜1，制备方法包括：（1）以铌镁钛酸铅陶瓷为靶材、以（0002）取向的氮化镓薄膜为衬底，控制衬底升温至700～850℃，通入氧气并调整氧气气压为0.5～10Pa；（2）将激光能量调节至2～6mJ/cm²，先以分段增加激光频率的方式在所述（0002）取向的氮化镓衬底上沉积缓冲层，再在5～10Hz的激光频率下沉积1～3小时后原位退火，得到所述铌镁钛酸铅薄膜。本发明填补了该领域内的空白，所采用的沉积手段简单易行。

技术领域

本发明属于半导体薄膜技术领域，具体涉及一种在(0002)取向的氮化镓衬底上外延生长高质量铌镁钛酸铅薄膜的方法。

背景技术

基于GaN宽禁带半导体在功率电子、高频器件及光电子领域的重要应用，近年来人们开始关注铁电薄膜与GaN基半导体的集成，旨在结合铁电薄膜与GaN基半导体各自独特的功能特性，以开发新一代多功能集成电子器件。其中，通过铁电薄膜作为极化栅介质，与AlGaN/GaN基HEMT器件集成，开发铁电场效应高迁移率晶体管(MFSHEMT：Metal-Ferroelectric-Semiconductor High Electron Mobility Transistor)，是目前最具应用潜力的发展方向。其原理是利用铁电栅介质的极化特性对AlGaN/GaN界面二维电子气进行调制，加速沟道内载流子的耗尽与积累之间的转换，从而增强器件的栅极控制，与非极性氧化物栅相比铁电栅具有高介电常数、低栅极漏电流及非易失存储等独特优势。通过调控铁电薄膜内部的自发极化特性，抵消AlGaN中的压电极化场，实现对AlGaN/GaN界面沟道内二维电子的完全耗尽，据此可有效解决传统AlGaN/GaN HEMT器件只能工作在耗尽型(常开，功耗大，控制复杂)模式的关键问题，有望开发出新型高性能增强型(常关，功耗小，控制简单)AlGaN/GaN HEMT器件。增强型HEMT具有耗尽型HEMT无法比拟的优势，可以有效降低高频集成电路的复杂性和成本，有效提高功率转换集成电路的安全性，同时有效降低电路功耗。近年来，虽然也有一些技术应用于开发增强型AlGaN/GaN HEMT器件，包括降低AlGaN势垒厚度、生长非极性AlGaN/GaN、添加一层p-GaN或InGaN盖帽层、刻蚀凹栅、氟等离子体处理等方案。然而，上述技术增加了器件工艺的复杂性，并且所获得器件阈值电压较低(一般低于3V)，不利于器件在噪声干扰下工作。铁电栅介质技术与传统增强型AlGaN/GaN HEMT技术相比，具有器件结构简单、阈值电压可控、低栅极漏电流及高击穿电压等优势，很有可能成为未来增强型AlGaN/GaN HEMT的主流技术。

目前，铁电薄膜与GaN基半导体的集成尚属初始研究阶段，结果鲜有报道。且有关铁电薄膜的GaN基集成也只涉及少数几种传统铁电材料，如锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶钡(BST)、铌酸锂(LiNbO₃)等。钛铌镁酸铅(Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃，PMN-PT)是由弛豫铁电体PMN和普通铁电体PT组成的固溶体，与传统铁电材料相比具有高介电常数、大压电系数和更优异的铁电极化性能。据此分析，以新型PMN-PT替代传统铁电薄膜，应用于AlGaN/GaN HEMT的栅介质，有望开发出性能更为优异的增强型MFSHEMT器件。此外，PMN-PT材料对外界温度、电场、应力、光等物理参量具有非常优异的传感特性，结合PMN-PT与GaN基半导体集成电路，有望开发出新型智能传感器系统，在物联网、智能穿戴、智能家居等新兴高技术产业中具有巨大的应用潜力。