ＡＢＯ３／ＴｉＯ２／ＭｇＯ／Ⅲ－Ｖ族氮化物半导体异质结构及制备方法技术

ＡＢＯ３／ＴｉＯ２／ＭｇＯ／ＩＩＩ－Ｖ族氮化物半导体异质结构及制备方法，涉及微电子材料领域。本发明专利技术包括半导体衬底和ＡＢＯ３钙钛矿结构功能氧化物薄膜，其特征在于，在衬底基片和功能氧化物薄膜之间，有一个由纳米厚度的ＴｉＯ２模板层和ＭｇＯ势垒层构成的复合缓冲层。本发明专利技术首次在低温下通过激光分子束外延的方式在ＧａＮ外延片上制备了外延质量良好的ＴｉＯ２／ＭｇＯ复合缓冲层，其中ＭｇＯ层起到势垒层的作用，而ＴｉＯ２作为模板层可以有效诱导ＡＢＯ３薄膜外延生长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
GaN, A1N、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IO13CnT2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。但是，钙钛矿材料的禁带宽度通常为3ev左右，而III族氮化物半导体为宽禁带半 导体，其禁带宽度通常大于3ev，因此钙钛矿与III族氮化物半导体无法形成有效的势垒高 度。这将会导致严重的漏电流问题，使得功能氧化物薄膜的铁电保持特性等功能特性出现 严重退化。为了解决上述问题，需要在铁电材料与半导体之间插入高禁带宽度的绝缘层了 形成有效的势垒层。目前常用的势垒层层主要为非晶态的Si02、SiN, AlN及Al2O3等材料， 尽管这些材料能够提供足够的势垒高度，但是钙钛矿材料很难在这些非晶态的介质材料得 到外延或者择优取向生长。众所周知，钙钛矿材料的极化具有各向异性，随机取向的多晶薄 膜铁电性能通常较差，因此，找到既能形成足够的势垒高度又能诱导钙钛矿薄膜取向生长 的缓冲层材料及其生长方法，对于实现GaN基钙钛矿功能氧化物薄膜集成器件具有十分重 要的意义。MgO禁带宽度约为7. 8ev，能够与以GaN为典型代表的六方III-V族氮化物宽禁 带半导体形成足够的势垒高度。此外，MgO与GaN接触能形成良好的界面(界面态密约为 2X IO11CnT2ev-1)。因此，MgO可能成为一种适用于钙钛矿氧化物/III族氮化物宽禁带半导 体集成器件的良好势垒层。而MgO与钙钛矿材料晶格失配度较大，在MgO上通常只能获得多 晶的钙钛矿氧化物薄膜，而金红石TiO2的TiO八面体和较小的晶格失配可能诱导钙钛矿薄 膜的外延生长，可以用作在GaN等六方宽禁带半导体上外延生长钙钛矿薄膜的模板层。由 此为提出采用Ti02/Mg0复合缓冲层来制备AB03/Ti02/Mg0/六方III-V族氮化物半导体异 质结的方法，目前国内外未见类似报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种AB03/Ti02/Mg0/六方III-V族氮化物半 导体异质结及其制备方法，该异质结构中氧化物与GaN之间有足够的势垒高度(> lev)，具 有界面清晰、外延质量良好的特点，能够降低III-V族氮化物半导体异质结器件栅极漏电 流，提高器件工作正向电压。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是，AB03/Ti02/Mg0/III-V族氮化物半 导体异质结构，包括半导体衬底和ABO3钙钛矿结构功能氧化物薄膜，其特征在于，在衬底基 片和功能氧化物薄膜之间，有一个由纳米厚度的TiO2模板层和MgO势垒层构成的复合缓冲层。所述半导体衬底为(0001)方向外延生长的六方III-V族氮化物半导体材料为下 述各项之一GaN, AlN, InN, GaN的固溶体、AlN的固溶体、InN的固溶体。各层以下述顺序排列基片、MgO势垒层、TiO2模板层、ABO3钙钛氧化物薄膜层。所述ABO3钙钛矿氧化物中A代表Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Bi、La中的一种元素，B代表 Ti、Zr、Fe、Ru、Ni 中的一种元素；或者，A代表Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Bi、La中的两种或两种以上元素构成的固溶体，B 代表Ti、Zr、Fe、Ru、Ni中的两种或两种以上元素构成的固溶体，并且，以A元素、B元素和氧 元素摩尔比计算，化学配比满足(AJA2+......+An) (B^B2+......+Bn) 0=1 1 3。进一步的，所述ABO3金属氧化物中掺杂有一定比例的改性氧化物，以REa表示掺杂在A中的氧化物，以REb表示掺杂在B中的氧化物，化学配比满足(AfA2+......+An+REA)(B^B2+......+Bn+REB) 0 = 1 1 3，其中 REa 和 REb 各自代表 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm,Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y, Mn 中的一种元素。本专利技术还提供一种AB03/Ti02/Mg0/III-V族氮化物半导体异质结构制备方法，包 括以下步骤(1)清洗基片；(2)基片热处理；(3)在高真空和低温环境下，通过脉本文档来自技高网...

【技术保护点】
ＡＢＯ↓［３］／ＴｉＯ↓［２］／ＭｇＯ／Ⅲ－Ⅴ族氮化物半导体异质结构，包括半导体衬底和ＡＢＯ↓［３］钙钛矿结构功能氧化物薄膜，其特征在于，在衬底基片和功能氧化物薄膜之间，有一个由纳米厚度的ＴｉＯ↓［２］模板层和ＭｇＯ势垒层构成的复合缓冲层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱俊，罗文博，李言荣，张鹰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]