介電 半超導(dǎo)體復(fù)合地膜成長(zhǎng)掌握
多元氧化物性能資料,存在鐵電、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(xué)等多種性能,在電阻、庫(kù)容、電感、微波通路元件以及其余無(wú)源電子器件中有不足道和寬泛的利用.半超導(dǎo)體資料存在電子輸運(yùn)特點(diǎn),是微電子和光電子輕工業(yè)的資料根底.自1946年全人類(lèi)發(fā)現(xiàn)第一個(gè)半超導(dǎo)體資料Ge以來(lái),已構(gòu)成以Si,GaAs,GaN,SiC,InP為主的資料體系,變成各族有源電子器件的支持主體.
近年來(lái),電子信息零碎的微弱型化和單片化的停滯,一直增進(jìn)電子資料的地膜化和電子器件的片式化的快捷停滯.為此,將性能氧化物資料與半超導(dǎo)體資料經(jīng)過(guò)固態(tài)地膜的內(nèi)容成長(zhǎng)在一起,構(gòu)成介電/半超導(dǎo)體人工復(fù)合構(gòu)造(單層、多層乃至超晶格),利用這種集成地膜的一體化特點(diǎn),可將介電無(wú)源器件與半超導(dǎo)體有源器件集成,兌現(xiàn)有源-無(wú)源的多性能集成化和模塊化,加強(qiáng)粗放化的零碎性能,增進(jìn)電子零碎中型化和單片化.同聲,在介電/半超導(dǎo)體復(fù)合地膜中,可利用介電資料大的極化和因?yàn)榻缑婢Ц袷湟氲拇蟮慕缑鎽?yīng)急,來(lái)調(diào)控半超導(dǎo)體的輸運(yùn)特點(diǎn)(載流子深淺和遷徙率等),有可能經(jīng)過(guò)界面誘導(dǎo)和嚙合涌現(xiàn)更高性能的半超導(dǎo)體特點(diǎn),從而為新資料和新器件制備提供可能.
眼前在Si基上集成高k柵介質(zhì)的鉆研作業(yè)較多,無(wú)關(guān)介電資料和半超導(dǎo)體ZnO,GaAs等復(fù)合地膜的鉆研也有簡(jiǎn)報(bào).但因?yàn)镾i和GaAs熱穩(wěn)固性的制約,在界面處易構(gòu)成非晶層SiOx或GaOx,對(duì)界面誘導(dǎo)介電地膜的內(nèi)涵成長(zhǎng)和輸運(yùn)性能會(huì)產(chǎn)生陰暗面作用.因而能夠看到,在介電和半超導(dǎo)體的復(fù)合成長(zhǎng)中重要存在兩個(gè)問(wèn)題:一是如何協(xié)同成長(zhǎng),二是復(fù)合成長(zhǎng)后的性能變遷.介電地膜正常是在低溫、有氧空氣下成長(zhǎng),而半超導(dǎo)體是在高溫、無(wú)氧高真空下成長(zhǎng),兩者的成長(zhǎng)熱度相差數(shù)百度,真空度相差多少個(gè)單位級(jí),加之兩者的晶格失配度大(>10%),成長(zhǎng)機(jī)制不統(tǒng)一,介電/半超導(dǎo)體集成地膜的成長(zhǎng)步驟及界面的行止與繁多資料有著極大相反.因而,探尋一種對(duì)準(zhǔn)兩種資料都能協(xié)同繼續(xù)的成長(zhǎng)步驟是無(wú)比不足道的.另外,關(guān)于這種集成地膜往往不是容易的一體化,不是容易的性能疊加.介電與半超導(dǎo)體層很可能會(huì)經(jīng)過(guò)異質(zhì)界面彼此莫須有、彼此調(diào)制.因而,對(duì)介電/半超導(dǎo)體界面特點(diǎn)的無(wú)效掌握,經(jīng)過(guò)成份和構(gòu)造無(wú)序變遷的模糊界面間嚙合,極可能兌現(xiàn)對(duì)物理效應(yīng)的無(wú)效傳送并嚙合出新性能.
因?yàn)榻殡?半超導(dǎo)體復(fù)合地膜的成長(zhǎng)和性能鉆研有著極大的迷信鉆研價(jià)格和不足道的利用背景,已逐步導(dǎo)致了美國(guó)DOE和DARPA等海內(nèi)外一些鉆研組織的關(guān)注和贊助,并無(wú)理論和試驗(yàn)上繼續(xù)了定然的探尋.比如,2004年Yale大學(xué)的Ahn等人經(jīng)過(guò)第一性原理劃算展望氧化物地膜與半超導(dǎo)體地膜的復(fù)合將會(huì)產(chǎn)生新效應(yīng)和新器件;2005年,Michigan大學(xué)鉆研人員從實(shí)踐上探尋了介電/半超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中介人電極化對(duì)半超導(dǎo)體載流子輸運(yùn)特點(diǎn)的強(qiáng)烈莫須有.對(duì)介電/半超導(dǎo)體復(fù)合地膜的試驗(yàn)鉆研,重要集中在硅襯底上成長(zhǎng)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)MOS器件上的柵介質(zhì)層SiO2的高介電常數(shù)介質(zhì)資料,如在Si上制備納米薄厚的非晶LaAlO3和CaZrO3介質(zhì)層,在Si上內(nèi)涵成長(zhǎng)SrTiO3或BaTiO3介電地膜.Motorola公司鉆研人員在第二代半超導(dǎo)體GaAs上,也探尋了鈣鈦礦構(gòu)造的氧化物地膜的成長(zhǎng)行止.德國(guó)Leipzig大百分制備了ZnO/BaTiO3/ZnO三明治構(gòu)造,發(fā)現(xiàn)了ZnO對(duì)鐵電極化的釘扎效應(yīng).
GaN作為寬帶隙其三代半超導(dǎo)體資料,存在禁帶幅度大、擊穿磁場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、載流子遷徙率高、抗輻射威力強(qiáng)等特點(diǎn),在微電子與光電子器件中有著寬泛的利用,同聲,因?yàn)镚aN內(nèi)涵膜的熱穩(wěn)固性好,成長(zhǎng)熱度高,便于氧化物介電地膜成長(zhǎng)后對(duì)界面態(tài)的無(wú)效掌握.因而,白文重要鉆研了無(wú)關(guān)介電/寬禁帶GaN復(fù)合地膜的成長(zhǎng)與界面掌握.近兩年來(lái),海外各鉆研小組在GaN半超導(dǎo)體上也繼續(xù)了氧化物性能資料成長(zhǎng)鉆研.比如,2005年,Yale大學(xué)一鉆研小組在GaN上制備了內(nèi)涵的鐵磁YMnO3地膜;2006年,WestVirginia大學(xué)采納分子束內(nèi)涵步驟在GaN上制備了YMnO3地膜;2007年,賓夕法尼亞州立大學(xué)在GaN上制備了內(nèi)涵的多鐵BiFeO3地膜等.另外,海外也有在AlGaN/GaN成長(zhǎng)鐵電地膜,采納鐵電極化調(diào)控半超導(dǎo)體溝道的二維電子氣的深淺,發(fā)當(dāng)初GaN上間接沉積的氧化物Pb(ZrTi)O3為多晶構(gòu)造,況且對(duì)半超導(dǎo)體載流子的作用沒(méi)有顯然的正效應(yīng).
總之,海內(nèi)外對(duì)介電資料和GaN半超導(dǎo)體復(fù)合成長(zhǎng)鉆研作業(yè)才剛剛開(kāi)展.眼前,復(fù)合成長(zhǎng)步驟重要是反響分子束內(nèi)涵(R-MBE)和激光分子束內(nèi)涵(L-MBE)步驟.咱們重要采納L-MBE步驟,實(shí)當(dāng)初原子團(tuán)尺度上介電/半超導(dǎo)體復(fù)合地膜的可控成長(zhǎng).1、介電/半超導(dǎo)體復(fù)合地膜成長(zhǎng)掌握試驗(yàn)內(nèi)中與步驟
本鉆研中,采納激光分子束內(nèi)涵(laser-molecularbeamepitaxy)設(shè)施制備氧化物地膜,萊塞采納德國(guó)LAMBDAPHYSIK公司生產(chǎn)的脈沖幅度為30ns,激光帶長(zhǎng)為248nm的KrF準(zhǔn)分子萊塞,其單脈沖能量在100~500mJ可調(diào),效率規(guī)模為1~10Hz.在地膜成長(zhǎng)平臺(tái)上,配置了反照式高能電子衍射(RHEED),可原位實(shí)時(shí)測(cè)量地膜的成長(zhǎng)格式的變遷及應(yīng)急馳豫內(nèi)中,25kV的高能電子以1°~3°掠角入射到地膜名義,衍射圖案由CCD觀測(cè),并與電腦聯(lián)接,繼續(xù)數(shù)據(jù)搜羅和圖像解決,其示用意如圖1所示.
圖1激光分子束內(nèi)涵設(shè)施示用意
試驗(yàn)中采納SrTiO3和TiO2陶瓷靶,基片為GaN(0002)/AlN(0002)/Al2O3(000l)內(nèi)涵片.L-MBE的成長(zhǎng)室背底真空為1×10−5Pa,咱們別離在500℃,600℃,700℃下間接在GaN內(nèi)涵片上成長(zhǎng)STO地膜.本鉆研中采納阿曼Seiko儀器公司的SPA-300HV原子團(tuán)力顯微鏡(AFM)綜合地膜名義形貌;采納Bede公司D1型高辯白X射線衍射儀對(duì)地膜宏觀構(gòu)造繼續(xù)綜合和表征;采納JEOLJEM2010高辯白透射電子顯微鏡(HRTEM)綜合樣品斷面微構(gòu)造.2、介電/半超導(dǎo)體復(fù)合地膜成長(zhǎng)掌握后果與探討
SrTiO3(STO)介電資料為立方對(duì)稱(chēng)ABO3鈣鈦礦構(gòu)造,STO(111)面存在與纖鋅礦構(gòu)造六方對(duì)稱(chēng)的GaN(000l)面相近的原子團(tuán)排列.正常覺(jué)得在GaN半超導(dǎo)體上成長(zhǎng)立方晶系的地膜時(shí),(111)//(0002)是最低能量成長(zhǎng)面,其面內(nèi)可能的內(nèi)涵關(guān)系為(111)[1−10]STO//(0001)[11−20]GaN.在這種內(nèi)涵格式下,其失配度大概為11%~14%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通常狀況下兌現(xiàn)地膜內(nèi)涵的晶格失配度,在STO成長(zhǎng)內(nèi)中中界面處會(huì)存在面內(nèi)的雙軸應(yīng)力會(huì)間接莫須有地膜的構(gòu)造.為了升高GaN與STO地膜之間的晶格失配招致的界面應(yīng)力,須要在兩者之間拔出適當(dāng)?shù)木彌_層.正常來(lái)說(shuō),非導(dǎo)體緩沖層的選取務(wù)必滿足:(1)與基片和地膜的晶格失配均較小;(2)緩沖層有較高的熱力穩(wěn)固性,減小成長(zhǎng)內(nèi)中中的界面反響和界面放散;(3)較高的介電常數(shù),減小其上的電壓重量.
羅茨水環(huán)真空機(jī)組、羅茨旋片真空機(jī)組
|
