[发明专利]一种钙钛矿型功能薄膜GaN基异质外延结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钙钛矿型功能薄膜GaN基异质外延结构及其制备方法，所述钙钛矿型功能薄膜GaN基异质外延结构包括GaN半导体衬底、以及依次生长在GaN半导体衬底表面的TiN界面外延层、SrTiO₃缓冲模板层、和钙钛矿型功能薄膜；所述GaN半导体衬底的取向为（0002）面，所述TiN界面外延层的外延取向为（111）面，所述SrTiO₃缓冲模板层的外延取向为（111）面，所述钙钛矿型功能薄膜的外延取向为（111）面。

技术领域

本发明涉及钙钛矿型功能薄膜与纤锌矿型氮化镓半导体的外延集成及其制备技术，具体涉及一种钙钛矿型功能薄膜GaN基异质外延结构及其制备方法，属于功能薄膜材料技术领域。

背景技术

基于氧化物功能薄膜与半导体集成技术发展的集成氧化物电子学是目前材料科学、凝聚态物理以及微电子科学的交叉前沿。氧化物集成电子学将成熟的半导体工艺平台与氧化物材料的功能特性结合起来，以开发单片集成化、高性能化以及新型功能化电子器件，其在铁电场效应晶体管、低功耗逻辑器件、集成光电子系统等领域具有重要的应用前景。

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，其相对于传统的半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的临界击穿场强以及更优异的电输运特性。因此，开发GaN基集成氧化物电子学器件具有重要的研究价值。在氧化物功能材料领域，钙钛矿型(ABO₃)氧化物功能材料具有极其丰富且优异的物理特性，如铁电、压电、铁磁、多铁、超导等功能特性，非常适合于集成氧化物电子学器件的应用。外延薄膜相对于多晶薄膜具有更优异的物理特性、更好的界面状态以及更强的可控性，实现功能薄膜在半导体上的外延生长是制备集成电子器件的基础。因此，钙钛矿型功能薄膜GaN基外延集成对于推动集成氧化物电子学的发展具有重要的研究意义。但是，由于ABO₃与GaN具有不同的晶体结构、较大的晶格失配度以及不兼容的生长条件，难以实现直接外延集成。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种钙钛矿型功能薄膜GaN基异质外延结构及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种钙钛矿型功能薄膜GaN基异质外延结构，包括GaN半导体衬底、以及依次生长在GaN半导体衬底表面的TiN界面外延层、SrTiO₃缓冲模板层、和钙钛矿型功能薄膜；

所述GaN半导体衬底的取向为(0002)面，所述TiN界面外延层的外延取向为(111)面，所述SrTiO₃缓冲模板层的外延取向为(111)面，所述钙钛矿型功能薄膜的外延取向为(111)面。

本发明中，STO/TiN/GaN外延异质结具有的外延取向关系为：STO//TiN//GaN。其中SrTiO₃缓冲模板层(STO)与绝大多数钙钛矿型功能薄膜晶体结构相同且具有较小的晶格失配度，故能够诱导各类钙钛矿型功能薄膜在GaN上的高质量外延集成，且构筑的钙钛矿型功能薄膜GaN基集成异质结具有如下外延取向关系：ABO₃//STO//TiN//GaN。其中，TiN界面外延层诱导在GaN上生长的STO外延薄膜具有更高的外延质量(即，具有较高的表面平整度)，更加有利于ABO₃型功能薄膜在GaN上高质量外延生长。而且，界面外延层还具有优异的导电特性，可以直接作为ABO₃型功能薄膜的底电极，降低器件结构的复杂度。

较佳地，所述GaN半导体衬底为蓝宝石基外延片(0002)GaN/Al₂O₃。

较佳地，所述TiN外延层为NaCl型晶体结构，厚度为0.5～10nm。

较佳地，所述SrTiO₃缓冲模板层为钙钛矿型晶体结构，厚度为5～50nm。