多元氧化物功能材料, 具有鐵電、壓電、熱釋電、高k介電、軟磁、磁電, 以及電光、聲光和非線性光學等多種性能, 在電阻、電容、電感、微波電路元件以及其他無源電子器件中有重要和廣泛的應用. 半導體材料具有電子輸運特性, 是微電子和光電子工業的材料基礎. 自1946年人類發現第一個半導體材料Ge以來, 已形成以Si, GaAs,GaN,SiC,InP為主的材料體系, 成為各種有源電子器件的支撐主體.

　　近年來, 電子信息系統的微小型化和單片化的發展, 不斷促進電子材料的薄膜化和電子器件的片式化的快速發展. 為此, 將功能氧化物材料與半導體材料通過固態薄膜的形式生長在一起, 形成介電/半導體人工復合結構(單層、多層甚至超晶格), 利用這種集成薄膜的一體化特性, 可將介電無源器件與半導體有源器件集成, 實現有源-無源的多功能集成化和模塊化, 增強集約化的系統功能, 促進電子系統小型化和單片化. 同時, 在介電/半導體復合薄膜中, 可利用介電材料大的極化和由于界面晶格失配引入的大的界面應變, 來調控半導體的輸運特性(載流子濃度和遷移率等), 有可能通過界面誘導和耦合出現更高性能的半導體特性, 從而為新材料和新器件制備提供可能.

　　目前在Si基上集成高k柵介質的研究工作較多, 有關介電材料和半導體ZnO, GaAs等復合薄膜的研究也有報道. 但由于Si和GaAs熱穩定性的限制, 在界面處易形成非晶層SiOx或GaOx, 對界面誘導介電薄膜的外延生長和輸運性能會產生負面作用. 所以可以看到, 在介電和半導體的復合生長中主要存在兩個問題: 一是如何協同生長, 二是復合生長后的性能變化. 介電薄膜一般是在高溫、有氧氣氛下生長, 而半導體是在低溫、無氧高真空下生長, 兩者的生長溫度相差數百度, 真空度相差幾個數量級, 加之兩者的晶格失配度大(>10%), 生長機制不一致, 介電/半導體集成薄膜的生長方法及界面的行為與單一材料有著極大不同. 因此, 探索一種針對兩種材料都能協同進行的生長方法是非常重要的. 另外, 對于這種集成薄膜往往不是簡單的一體化, 不是簡單的性能疊加. 介電與半導體層很可能會通過異質界面相互影響、相互調制. 因此, 對介電/半導體界面特性的有效控制, 通過成分和結構有序變化的清晰界面間耦合, 極可能實現對物理效應的有效傳遞并耦合出新性能.

　　由于介電/半導體復合薄膜的生長和性能研究有著極大的科學研究價值和重要的應用背景, 已逐漸引起了美國DOE和DARPA等國內外一些研究機構的關注和資助, 并在理論和實驗上進行了一定的探索. 例如, 2004年Yale大學的Ahn等人通過第一性原理計算預測氧化物薄膜與半導體薄膜的復合將會產生新效應和新器件; 2005年, Michigan 大學研究人員從理論上探索了介電/半導體異質結中介電極化對半導體載流子輸運特性的強烈影響. 對介電/半導體復合薄膜的實驗研究,主要集中在硅襯底上生長可替代傳統MOS器件上的柵介質層SiO2的高介電常數介質材料, 如在Si上制備納米厚度的非晶LaAlO3和CaZrO3介質層, 在Si上外延生長SrTiO3或BaTiO3介電薄膜. Motorola公司研究人員在第二代半導體GaAs上, 也探索了鈣鈦礦結構的氧化物薄膜的生長行為. 德國Leipzig大學制備了ZnO/BaTiO3/ZnO三明治結構, 發現了ZnO對鐵電極化的釘扎效應.

　　GaN作為寬帶隙第三代半導體材料, 具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、載流子遷移率高、抗輻射能力強等特點, 在微電子與光電子器件中有著廣泛的應用, 同時, 由于GaN外延膜的熱穩定性好, 生長溫度高, 便于氧化物介電薄膜生長后對界面態的有效控制. 因此, 本文主要研究了有關介電/寬禁帶GaN復合薄膜的生長與界面控制. 近兩年來, 國外各研究小組在GaN半導體上也進行了氧化物功能材料生長研究. 例如, 2005年, Yale大學一研究小組在GaN上制備了外延的鐵磁YMnO3薄膜; 2006年, West Virginia大學采用分子束外延方法在GaN上制備了YMnO3薄膜; 2007年, 賓夕法尼亞州立大學在GaN上制備了外延的多鐵BiFeO3薄膜等. 此外, 國外也有在AlGaN/GaN生長鐵電薄膜, 采用鐵電極化調控半導體溝道的二維電子氣的濃度, 發現在GaN上直接沉積的氧化物Pb(ZrTi)O3為多晶結構, 并且對半導體載流子的作用沒有明顯的正效應.

　　總之, 國內外對介電材料和GaN半導體復合生長研究工作才剛剛展開. 目前, 復合生長方法主要是反應分子束外延(R-MBE)和激光分子束外延(L-MBE)方法. 我們主要采用L-MBE方法, 實現在原子尺度上介電/半導體復合薄膜的可控生長.

1、介電/半導體復合薄膜生長控制實驗過程與方法

　　本研究中, 采用激光分子束外延(laser-molecular beam epitaxy)設備制備氧化物薄膜, 激光器采用德國LAMBDA PHYSIK公司生產的脈沖寬度為30 ns, 激光波長為248 nm的KrF準分子激光器, 其單脈沖能量在100~500 mJ可調, 頻率范圍為1~10 Hz. 在薄膜生長平臺上, 配置了反射式高能電子衍射(RHEED), 可原位實時測量薄膜的生長模式的變化及應變馳豫過程, 25 kV的高能電子以1°~3°掠角入射到薄膜表面, 衍射圖案由CCD觀測, 并與計算機連接, 進行數據采集和圖像處理, 其示意圖如圖1所示.

圖1 激光分子束外延設備示意圖

　　實驗中采用SrTiO3和TiO2陶瓷靶, 基片為GaN (0002)/AlN(0002)/Al2O3(000l)外延片. L-MBE的生長室背底真空為1×10−5 Pa, 我們分別在500℃, 600℃, 700℃下直接在GaN外延片上生長STO薄膜.本研究中采用日本Seiko儀器公司的SPA- 300HV原子力顯微鏡(AFM)分析薄膜表面形貌; 采用Bede公司D1型高分辨X射線衍射儀對薄膜微觀結構進行分析和表征; 采用JEOL JEM 2010高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)分析樣品斷面微結構.

2、介電/半導體復合薄膜生長控制結果與討論

　　SrTiO3(STO)介電材料為立方對稱ABO3鈣鈦礦結構, STO(111)面具有與纖鋅礦結構六方對稱的GaN(000l)面相近的原子排列. 一般認為在GaN半導體上生長立方晶系的薄膜時, (111)//(0002)是最低能量生長面, 其面內可能的外延關系為(111)[1−10]STO// (0001)[11−20]GaN. 在這種外延模式下, 其失配度大約為11%~14%, 遠遠大于通常情況下實現薄膜外延的晶格失配度, 在STO生長過程中界面處會存在面內的雙軸應力會直接影響薄膜的結構. 為了降低GaN與STO薄膜之間的晶格失配導致的界面應力, 需要在兩者之間插入適當的緩沖層. 一般來說, 絕緣體緩沖層的選取必須滿足: (1) 與基片和薄膜的晶格失配均較小; (2) 緩沖層有較高的熱力穩定性, 減小生長過程中的界面反應和界面擴散; (3) 較高的介電常數, 減小其上的電壓分量.