GaN衬底上复合缓冲层诱导BST类钙钛矿结构氧化物薄膜外延生长的研究

论文摘要

以BST为代表的钙钛矿结构（ABO3）的多元氧化物是当今最热门的电子材料之一。作为微波及射频电路中无源器件的关键材料,它集铁电、介电等多种功能性能与一身。将这种功能材料与以GaN为代表的第三代半导体材料通过固态薄膜的形式集成,并利用这种集成的一体化及耦合特性,可以实现有源-无源的多功能器件集成化和模块化,增强系统功能,提高集成度。然而,由于两者在生长机制及晶体结构上存在巨大的差异,不易实现高质量的外延生长;同时,由于钙钛矿氧化物材料的各向异性,在GaN衬底上实现氧化物薄膜的取向控制尤为重要。因此,探索GaN衬底上钙钛矿结构的氧化物薄膜的生长行为并且实现取向控制对多功能集成元器件有十分重要的指导意义。本论文正是针对上述问题,以立方钙钛矿结构的SrTiO3（STO）主要的研究对象,利用TiO2、YSZ、CeO2以及YBCO等氧化物材料作为缓冲层,实现了GaN衬底上外延高质量的STO薄膜以及对其进行取向控制,分别得到了[001]、[110]、[111]三种典型取向的STO薄膜。并且,利用相同工艺实现了这三种取向的BST薄膜与GaN集成一体化。首先,采用脉冲激光沉积法,研究了沉积温度、氧分压和激光能量密度对薄膜生长相与取向的影响,得到了a轴取向的萤石相YSZ及CeO2薄膜的择优工艺条件,达到取向生长可控。其次,通过复合缓冲层的诱导使STO薄膜实现c轴取向及[110]取向的外延生长,并且探求了STO薄膜在复合缓冲层上生长动力学模型。其中,利用YSZ/ TiO2缓冲层诱导生长了（110）取向的STO薄膜;利用YBCO作为模板层,CeO2/YSZ为缓冲层,TiO2为种子层的复合结构外延生长了具有面内旋转畴结构的单一c轴取向SrTiO3薄膜,并确定外延关系为STO （200） [110]// YBCO（001）[110] //CeO2 （200） [010]// YSZ （200）[010] //GaN（0001）[11-20]。并且,发现STO薄膜在萤石结构上生长时,其生长行为由晶格应力及离子键合作用两者共同决定。最后,通过复合缓冲层有效的诱导BST铁电薄膜沿三种典型取向生长,实现了BST/GaN的集成,并对原型器件的电学性能进行了探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铁电材料概述
• 1.3 BST 类材料概述
• 1.4 铁电/半导体集成结构研究现状
• 1.4.1 铁电/半导体异质结构的研究意义
• 1.4.2 GaN 衬底的选择依据
• 1.4.3 铁电/半导体集成中的困难及解决办法
• 1.4.4 缓冲层的选择
• 1.5 论文选题及研究方案
• 第二章 实验方法与原理
• 2.1 薄膜制备方法
• 2.1.1 脉冲激光沉积系统简介
• 2.1.2 激光分子束外延系统简介
• 2.2 氧化物薄膜微结构表征方法
• 2.2.1 原位高能电子衍射
• 2.2.2 X 射线衍射
• 2.2.3 原子力显微镜
• 2.3 氧化物薄膜电性能测试
• 2.3.1 介电性能测试
• 2.3.2 铁电性能测试
• 2.3.3 绝缘性能测试
• 第三章 GaN 衬底上萤石相氧化物外延特性研究
• 3.1 基片清洗
• 3.2 YSZ 自外延生长
• 3.2.1 激光能量对薄膜的影响
• 3.2.2 沉积温度对薄膜的影响
• 3.2.3 氧分压对薄膜的影响
• 2诱导生长YSZ 薄膜'>3.3 金红石相TiO₂诱导生长YSZ 薄膜
• 3.3.1 激光能量对a 轴取向YSZ 薄膜的影响
• 3.3.2 沉积温度对a 轴取向YSZ 薄膜的影响
• 2沉积能量对a 轴取向YSZ 薄膜的影响'>3.3.3 TiO₂沉积能量对a 轴取向YSZ 薄膜的影响
• 3.4 GaN 衬底上YSZ 外延薄膜微结构表征
• 2外延薄膜生长'>3.5 CeO₂外延薄膜生长
• 3.6 小结
• 第四章 缓冲诱导立方钙钛矿结构薄膜取向生长研究
• 4.1 萤石结构缓冲层过渡诱导 STO 生长性质
• 4.1.1 YSZ 缓冲层诱导 STO 取向生长
• 2/YSZ 缓冲层诱导STO 取向生长'>4.1.2 CeO₂/YSZ 缓冲层诱导STO 取向生长
• 4.2.YBCO 模板层过渡诱导 STO 生长性质
• 4.3 STO 薄膜生长动力学初探
• 4.4 小结
• 第五章 复合缓冲层取向诱导 BST/GaN 集成性能研究
• 5.1 BST/GaN 集成生长
• 2缓冲层诱导BST（111）取向生长'>5.1.1 TiO₂缓冲层诱导BST（111）取向生长
• 2缓冲层诱导BST（110）取向生长'>5.1.2 YSZ/TiO₂缓冲层诱导BST（110）取向生长
• 2/YSZ/TiO₂复合缓冲层诱导 BST（001）取向生长'>5.1.3 YBCO/CeO₂/YSZ/TiO₂复合缓冲层诱导 BST（001）取向生长
• 5.2 BST/GaN 集成电学性能初探
• 5.2.1 GaN 基集成 BST 材料典型取向的可调特性研究
• 5.2.2 GaN 基集成 BST 材料典型取向的铁电特性研究
• 5.2.3 GaN 基集成 BST 材料典型取向的绝缘性能研究
• 5.3 小结
• 第六章 主要结论及创新点
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间取得的研究成果