CN101826550B - ABO3/TiO2/MgO/Ⅲ-V族氮化物半导体异质结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

ABO₃/TiO₂/MgO/Ⅲ-V族氮化物半导体异质结构及制备方法

技术领域

本发明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。

背景技术

GaN、AlN、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10¹³cm^-2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SiO₂、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2×10¹¹cm^-2ev^-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TiO₂/MgO复合缓冲层来制备ABO₃/TiO₂/MgO/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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种ABO₃/TiO₂/MgO/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(＞1ev)，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。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构，包括半导体衬底基片和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TiO₂模板层和MgO势垒层构成的复合缓冲层，所述TiO₂模板层为纳米厚度，所述衬底基片为III-V族氮化物半导体衬底基片。

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：

衬底基片、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(A₁+A₂+......+An)∶(B₁+B₂+......+Bn)∶O＝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RE_A表示掺杂在A中的氧化物，以RE_B表示掺杂在B中的氧化物，化学配比满足(A₁+A₂+......+An+RE_A)∶(B₁+B₂+......+Bn+RE_B)∶O＝1∶1∶3，其中RE_A和RE_B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。

本发明还提供一种ABO₃/TiO₂/MgO/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，所述基片为III-V族氮化物半导体衬底基片；

(2)基片热处理；

(3)在高真空和低温环境下，通过脉冲激光剥离MgO陶瓷靶材在III-V族氮化物半导体基片上外延生长MgO势垒层至预定厚度，获得MgO薄膜；

(4)在真空环境下升温至450～800℃，监测MgO结晶状况；

(5)在基片温度为450～550℃的条件下，在MgO势垒层上外延生长金红石相TiO₂模板层至预定厚度；

(6)在550～800℃、真空环境下，用脉冲激光沉积1～2nm钙钛矿氧化物薄膜；

(7)在1～30Pa氧气环境下，继续沉积ABO₃钙钛矿氧化物薄膜，得到ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构；

(8)降低基片温度至400～500℃，在10³-10⁴Pa氧气氛进行退火处理，以降低薄膜中的氧空位浓度。

所述步骤(2)为：将基片加热至550℃烘烤30分钟，烘烤过程中保持生长室真空度保持为1×10^-5Pa，以除去化学清洗过程中在基片表面残留的化学试剂。所述步骤(3)中，MgO势垒层的厚度为2～20nm。在400℃以下的低温环境下外延生长MgO势垒层。步骤(5)中TiO₂模板层厚度为2-3nm。

本发明的有益效果是：本发明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，国内外尚未见报道。由于ABO₃钙钛矿材料的禁带宽度通常为3ev左右，难以与宽禁带的第三代半导体形成有效的势垒高度，会产生严重的漏电流，破坏氧化物功能薄膜的特性，降低器件的稳定性。而MgO具有高达7.8ev的禁带宽度，能够与宽禁带半导体形成有效的势垒高度，阻挡半导体中载流子向钙钛矿氧化物中注入，达到减小漏电流的作用。此外，为了使用TiO₂模板层降低阻挡层与功能氧化物薄膜之间的晶格失配度诱导后续ABO₃薄膜的外延生长。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为不同基片温度下MgO势垒层沉积过程中原位反射式高能电子衍射(RHEED)观测结果照片。

图2为MgO势垒层的XRD衍射图谱。图2(a)为室温下沉积的MgO薄膜θ-2θ扫描图谱；图2(b)为MgO势垒层及GaN基片PHI扫描图谱。

图3a为室温下生长的MgO势垒层高能电子衍射图谱；

图3b为升温热处理后(450℃)MgO势垒层高能电子衍射图谱；

图3c为TiO₂模板层高能电子衍射图谱；

图3d为典型钙钛矿结构STO氧化物薄膜高能电子衍射图谱；

图3e为ABO₃/TiO₂/MgO/GaN异质结XRDθ-2θ分析图谱。

图4所示分别为HEMT器件、STO/TiO₂MOS HEMT器件以及STO/TiO₂/MgO MOS HEMT器件C-V特性曲线图。

图5所示分别为传统MES-HEMT器件、STO/TiO₂MOS HEMT器件以及STO/TiO₂/MgO MOS HEMT器件漏电流对比图。其中，图5a为负偏压下三种结构HEMT器件漏电流特性曲线图，图5b为正偏压下三种结构HEMT器件漏电流特性曲线图。

图6a～c所示分别为传统MES-HEMT器件、STO/TiO₂MOS HEMT器件以及STO/TiO₂/MgO MOS HEMT器件输出特性曲线对比图。

图7a、b所示分别为传统MES-HEMT器件、STO/TiO₂MOS HEMT器件以及STO/TiO₂/MgO MOS HEMT器件转移特性曲线对比图。

图8是本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图8，本实施例的ABO₃/TiO₂/MgO/六方III族氮化物半导体异质结构共有三层，在半导体衬底和ABO₃氧化物薄膜功能层之间，有一个由MgO势垒层和TiO₂模板层构成的复合缓冲层。

六方III-V族氮化物半导体沿(0001)方向取向。MgO势垒层沿(111)方向取向，TiO₂模板层沿(200)方向取向，而ABO₃功能氧化物薄膜沿(111)方向取向。ABO₃金属氧化物中A为Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Bi、La中的一种元素，B为Ti、Zr、Fe、Ru、Ni中的一种元素。

实施例2

本实施例与实施例1的区别是，A为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为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(A₁+A₂+......+An)∶(B₁+B₂+......+Bn)∶O＝1∶1∶3。

ABO₃金属氧化物可以掺杂有一定比例的改性氧化物，即RE_A的氧化物或者RE_B的氧化物，化学配比满足(A₁+A₂+......+An+RE_A)∶(B₁+B₂+......+Bn+RE_B)∶O＝1∶1∶3，其中RE_A和RE_B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。

作为制备方法的实施方式，利用激光分子束外延技术(L-MBE)，使用GaN/Al₂O₃和AlGaN/GaN/Al₂O₃外延片和MgO、TiO₂和STO陶瓷靶材，在适当条件下制得MgO势垒层、TiO₂模板层和ABO₃功能氧化物薄膜层。本实施方式采用低温高真空生长的外延MgO势垒层，MgO势垒层能够在低温下外延生长，与GaN之间的晶格失配较小，界面态密度较小，能够形成界面状况良好的异质界面；在MgO势垒层上制备具有Ti-O₆八面体结构的金红石相TiO₂模板层，使得具有相似Ti-O₆八面体结构的ABO₃薄膜能够在GaN上取向生长，且多层薄膜界面清晰，为实现氧化物/半导体集成器件提供了一种可行的材料设计和生长方法。其具体过程如下：

(1)将按照标准工艺清洗后的GaN外延片通过机械手装入L-MBE生长室，L-MBE生长室真空度保持为1×10^-5Pa。

(2)基片热处理，将基片加热至550℃烘烤30分钟，烘烤过程中保持生室真空度保持为1×10^-5Pa，以除去基片表面残留的化学试剂。

(3)薄膜沉积温度，通过加热装置和温度控制单元使基片温度处于MgO势垒层、TiO₂模板层以及ABO₃功能氧化物薄膜的相应生长温度。

(4)启动脉冲激光器，使脉冲激光束通过聚焦透镜聚焦在ABO₃、TiO₂、MgO多晶陶瓷靶上，通脉冲激光剥离靶材产生的激光等离子体沉积在GaN外延片上，从而制得ABO₃/TiO₂/MgO多层薄膜；

(5)通过反射高能电子衍射对薄膜表面结晶状态进行原位观测，判定各层薄膜的结晶状态。同时监测强度振荡曲线和控制薄膜沉积时间，控制各层薄膜厚度，薄膜厚度控制精度为nm量级。

(6)首先在低温下沉积MgO势垒层至预定厚度，MgO势垒层的生长温度范围为室温至400℃，厚度范围为2-20nm；

(7)升高基片温度至沉积TiO₂模板层所需温度(450～550℃)，利用反射高能电子衍射监测升温过程中MgO结晶状况的变化，；

(8)当基片温度稳定后，生长TiO₂模板层至预定厚度，厚度范围为2-4nm，通过反射高能电子衍射对薄膜表面结晶状态进行原位观测，判定TiO₂模板层的结晶状态。同时监测强度振荡曲线和控制薄膜沉积时间，控制TiO₂薄膜厚度，薄膜厚度控制精度为nm量级；

(9)调整基片温度至沉积薄膜钙钛矿所需温度(450～800℃)，利用反射高能电子衍射监测升温过程中TiO₂模板层结晶状况的变化；

(10)在步骤(9)中设定温度和1×10^-5Pa高真空下，启动脉冲激光器沉积1～2nm钙钛矿薄膜；通过反射高能电子衍射对薄膜表面结晶状态进行原位观测，判定钙钛矿薄膜的结晶状态。同时监测强度振荡曲线和控制薄膜沉积时间，控制钙钛矿薄膜厚度，薄膜厚度控制精度为nm量级；

(11)通过流量计等气体控制系统通入氧气(1～30Pa)；

(12)在步骤(9)设定的温度和步骤(11)设定的气氛条件下，启动脉冲激光器上生长ABO₃钙钛矿薄膜，得到制备结构ABO₃/TiO₂/MgO/六方III-V族氮化物多层薄膜异质结构。

原位反射高能电子衍射(RHEED)的电子加速电压为20KV，灯丝电流为40μA，电子束与基片的掠射角为1-3°；

前述脉冲激光器是选用德国LAMBDA PHYSIC公司生产的波长为248nm，脉冲宽度为30ns，能量密度为2J/cm²的KrF准分子激光器。沉积薄膜选用的脉冲频率为1Hz，相应的MgO薄膜沉积速率为0.04

。

上述步骤中所述的设定温度是由上海科析试验仪器厂生产的KXD-S温度控制器控制保持在室温～1000℃之间任一温度。

上述步骤中MgO薄膜的沉积温度一般控制在500℃以内，经过反复实验优化沉积温度保持在室温～200℃。

上述步骤中所述的气体流量计为北京汇博隆仪器公司生产的MT-51型气体流量控制计，沉积气氛经反复试验优选为10～20Pa。

分别采用如下仪器对以上制备的ABO₃/TiO₂/MgO/六方III-V族氮化物异质结构特性进行分析：

X射线衍射仪(XRD)，型号Bede D1，Bede；

薄膜电学性能测试采用以下设备进行：

漏电流测试，型号Agilent 4155B，Agilent

电容测试，型号Hp 4294，Hp。

更具体的实施例：

采用沈阳中科仪的LMBE-II型激光分子束外延设备和德国Lambda公司的Compex 201KrF准分子激光器，在GaN/Al₂O₃以及AlGaN/GaN/Al₂O₃(0001)基片上先低温生长MgO薄膜，再原位高温生长TiO₂模板层和钙钛矿氧化物薄膜，得到ABO₃/TiO₂/MgO/GaN异质结构。

(1)将按照标准工艺清洗后的GaN外延片通过机械手装入L-MBE生长室，L-MBE生长室真空度保持为1×10^-5Pa。

(2)基片热处理，将基片加热至550℃烘烤30分钟，烘烤过程中保持生室真空度保持为1×10^-5Pa，以除去基片表面残留的化学试剂。

(3)薄膜沉积温度，通过加热装置和温度控制单元使基片温度处于MgO势垒层、TiO₂模板层以及ABO₃功能氧化物薄膜的相应生长温度。

(4)启动脉冲激光器，使脉冲激光束通过聚焦透镜聚焦在ABO₃、TiO₂、MgO多晶陶瓷靶上，通脉冲激光剥离靶材产生的激光等离子体沉积在GaN外延片上，从而制得ABO₃/TiO₂/MgO多层薄膜；

(5)通过反射高能电子衍射对薄膜表面结晶状态进行原位观测，判定各层薄膜的结晶状态。同时监测强度振荡曲线和控制薄膜沉积时间，控制各层薄膜厚度，薄膜厚度控制精度为nm量级。

(6)首先在低温下沉积MgO势垒层至预定厚度，MgO势垒层的生长温度范围为室温至400℃，厚度范围为2-20nm；

(7)升高基片温度至沉积TiO₂模板层所需温度(450～550℃)，利用反射高能电子衍射监测升温过程中MgO结晶状况的变化；

(8)当基片温度稳定后，生长TiO₂模板层至预定厚度，厚度范围为2-4nm，通过反射高能电子衍射对薄膜表面结晶状态进行原位观测，判定TiO₂模板层的结晶状态。同时监测强度振荡曲线和控制薄膜沉积时间，控制TiO₂薄膜厚度，薄膜厚度控制精度为nm量级；

(9)调整基片温度至沉积薄膜钙钛矿所需温度(450～800℃)，利用反射高能电子衍射监测升温过程中TiO₂模板层结晶状况的变化；

(10)在步骤(9)中设定温度和1×10^-5Pa高真空下，启动脉冲激光器沉积1～2nm钙钛矿薄膜；通过反射高能电子衍射对薄膜表面结晶状态进行原位观测，判定钙钛矿薄膜的结晶状态。同时监测强度振荡曲线和控制薄膜沉积时间，控制钙钛矿薄膜厚度，薄膜厚度控制精度为nm量级；

(11)通过流量计等气体控制系统通入氧气(1～30Pa)；

在步骤(9)设定的温度和步骤(11)设定的气氛条件下，启动脉冲激光器上生长钙钛矿薄膜，得到制备结构ABO₃/TiO₂/MgO/六方III-V族氮化物多层薄膜异质结构

以典型的钙钛矿介电材料SrTiO₃(以下简称STO)为例，结合对ABO₃/MgO多层薄膜结构、界面特性和电性能测试等结果进一步说明本发明的效果：

图1为不同基片温度下MgO势垒层沉积过程中原位反射式高能电子衍射(RHEED)观测结果照片。(a)、(b)所示为当基片温度为400度时MgO薄膜的衍射图案，薄膜的衍射图案为条状，说明薄膜以二维层状模式进行生长，薄膜表面较为平整。而随着温度的降低，薄膜的衍射图像逐渐转变为条纹加点状，说明薄膜的生长模式转变为S.K.模式，如图(c)-(f)所示。继续降低基片温度至室温沉积MgO薄膜，观察到的电子衍射图案如图(g)、(h)所示，虽然室温下沉积的MgO薄膜在较薄时，衍射较为模糊，但随着薄膜厚度的增加，仍可以观察到明显的衍射斑点，说明MgO薄膜在GaN上能够在低至室温的温度下外延生长。通过对观察到的电子衍射图像进行标定分析，确定了MgO薄膜与GaN之间的外延关系为MgO(111)//GaN(0002)和

晶格失配度约为-6.5％。所有的衍射图像均每隔60度出现一次，表明薄膜具有六重对称性，这是由于GaN(0002)面的六重对称性三重对称的MgO(111)薄膜在面内发生了双畴旋转而形成的。

图2为MgO势垒层的XRD衍射图谱。图2(a)为室温下沉积的MgO薄膜θ-2θ扫描图谱；图2(b)为MgO势垒层及GaN基片PHI扫描图谱。由图(a)可以看到MgO薄膜为(111)取向。图(b)为MgO(220)面和

面PHI扫描衍射峰，从图中可以看到MgO与GaN均有六个衍射峰，并且薄膜与基片的衍射峰位于相同位置。XRD分析表明MgO薄膜与GaN的外延关系为为MgO(111)//GaN(0002)和

与高能电子衍射观察到的结果一致。

图3中，a～d分别为室温下生长的MgO势垒层、升温热处理后MgO势垒层、TiO₂模板层和典型钙钛矿结构STO氧化物薄膜高能电子衍射图谱以及STO/TiO₂/MgO/GaN异质结XRD分析图谱。加热过程中发现MgO薄膜的衍射逐渐变强，条纹逐渐清晰说明在加热过程中MgO薄膜的结晶质量得到了有效提高。TiO₂模板层与势垒层薄膜和GaN外延衬底之间的外延关系为：

(100)[001]TiO₂//(111)[1-10]MgO//(0001)[11-20]GaN。

在此外延关系下，TiO₂缓冲层与MgO缓冲层以2∶1生长，晶格失配仅为-0.7％，这样小的失配使TiO₂缓冲层，为实现STO外延生长提供良好的前提。如图d为STO薄膜的RHEED衍射图像。对高能电子衍射图像进行分析表明此时STO为(111)取向。高能电子衍射分析说明在MgO上生长的STO薄膜与TiO₂之间的外延关系为(111)[1-10]STO//(100)[001]TiO₂。可见STO及TiO₂能够在低温生长的MgO势垒层上外延生长。采用XRD对STO/TiO₂/MgO/GaN多层薄膜进行了结构分析，如图e所示。θ-2θ扫描表面STO薄膜为(111)单一取向，其摇摆曲线半高宽为0.405°，表现出良好的面外取向一致度，结晶质量良好。这是由于MgO势垒层生长温度较低，具有GaN较好的晶格匹配，使得氧化物/GaN的界面清晰。另一方面，TiO2与MgO之间的晶格失配较小，TiO₂层的结晶质量相比直接在GaN上生长有一定程度的提高，而MgO势垒层还能有效地阻挡后续较高温度生长的STO薄膜发生扩散。因此，TiO₂/MgO复合缓冲层可以有效提升STO薄膜的外延质量。

图4所示分别为HEMT器件、STO/TiO₂MOS HEMT器件以及STO/TiO₂/MgO MOS HEMT器件C-V特性曲线。可以看到二维电子气从耗尽到积累的转变十分明显，并且没有明显的电子注入导致的顺时针窗口。在HEMT器件中当电压超过0.2V时，HEMT器件积累区电容明显增大。同样的现象在STO/TiO₂MOS器件中也有观察到，只是转变电压达到了1V左右。这是由于在正偏压下载流子从二维电子气沟道中溢出到AlGaN层或者STO/TiO₂介质层中，导致介质层的有效厚度降低而使得电容增大。在STO/TiO₂/MgO MOS HEMT器件中，当外加电压达到6V时仍然没有观察到上述现象，当外加电压大于6V时，电容结构击穿。这是由两方面的原因造成的，一方面由于MgO材料高达7.8ev的大禁带宽度，有效地阻止了沟道中的电子向介质薄膜中注入；另一方面，由于MgO薄膜介电常数较小，在外电压的作用下较介电常数大的TiO₂和STO薄膜更容易发生击穿。

图5所示分别为传统MES-HEMT器件、STO/TiO₂MOS HEMT器件以及STO/TiO₂/MgO MOS HEMT器件漏电流对比图。如图(a)所示为负偏压下栅极漏电流测试对比结果，由图中可以看到，与传统的HEMT器件相比，MOS HEMT器件有效地降低了器件的栅极漏电流。在二维电子气耗尽之前，STO/TiO₂的漏电流密度略大于STO/TiO₂/MgO MOS HEMT器件；而当二维电子气耗尽之后随着电压的增加STO/TiO₂的漏电流密度略大于STO/TiO₂/MgO MOSHEMT。三种器件在正偏压下的漏电流如图(b)所示，可以在看到正偏压下HEMT器件的漏电流迅速增大，而STO/TiO₂在一定程度上降低了正偏压下的漏电流，然而随着正偏压的增大，栅极漏电流也会逐渐增大到与传统HEMT器件相当的程度。而STO/TiO₂/MgOMOSHEMT器件的漏电流在测试范围中一直保持在10^-6mA/mm以下。MOSHEMT器件漏电流的显著减小是由于具有更高势垒高度的MOS结构取代了势垒高度较低的肖特基接触。而STO、TiO₂、MgO的禁带宽度分别为3.2ev、3.0ev和7.8ev。研究人员采用XPS技术测试上述材料与GaN之间的价带偏移，结果如下表所示，可以看到MgO与GaN或者AlGaN有更大的导带和价带偏移。由于插入MgO层后，导带和价带的偏移量都得到了有效的增加，因此STO/TiO₂/MgO MOS-HEMT器件表现出比STO/TiO₂MOS-HEMT器件更小的漏电流密度。这将会在一定程度上提高器件工作电压，增加器件最大输出电流。

图6所示分别为传统MES-HEMT器件、STO/TiO₂MOS-HEMT器件以及STO/TiO₂/MgO MOS-HEMT器件输出特性曲线对比图。室温下三种器件的输出特性见下图。测量器件时源漏电压加0到40V扫描，饱和电流单位采用mA/mm，是把实际测量的电流按照每毫米栅宽通过的电流进行了换算，以便于统一单位进行比较。所有的器件均表现出良好的饱和工作和夹断效应特征。从器件的输出特性曲线看，三种器件最大饱和电流基本相当，均在900mA/mm左右。传统的HEMT器件最高栅偏置只能达到+1V，而MOS-HEMT器件在高于1V时依然有平稳的曲线，尤其是STO/TiO₂/MgO MOSHEMT器件最高栅压可以达到+6V。这体现了MOS结构器件能在高压工作的优良性能，而MOSHEMT器件的最高工作电压得到了有效提高，TO/TiO₂/MgO MOS HEMT器件的最高工作栅电压达到了6V以上。

图7所示分别为传统MES-HEMT器件、STO/TiO₂MOS HEMT器件以及STO/TiO₂/MgO MOS HEMT器件转移特性曲线对比图。

Claims (9)

1.ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构，包括衬底基片和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TiO₂模板层和MgO势垒层构成的复合缓冲层，所述TiO₂模板层为纳米厚度，所述衬底基片为III-V族氮化物半导体衬底基片。

2.如权利要求1所述的ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构，其特征在于，所述衬底基片为(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。

3.如权利要求1所述的ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构，其特征在于，各层以下述顺序排列：

衬底基片、MgO势垒层、TiO₂模板层、ABO₃钙钛氧化物薄膜层。

4.ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)清洗基片，所述基片为III-V族氮化物半导体衬底基片；

(2)基片热处理；

(3)在高真空和低温环境下，通过脉冲激光剥离MgO陶瓷靶材在III-V族氮化物半导体基片上外延生长MgO势垒层至预定厚度，获得MgO薄膜；

(4)在真空环境下升温至450～800℃，监测MgO结晶状况；

(5)在基片温度为450～550℃的条件下，在MgO势垒层上外延生长金红石相TiO₂模板层至预定厚度；

(6)在550～800℃、真空环境下，用脉冲激光沉积1～2nm钙钛矿氧化物薄膜；

(7)在1～30Pa氧气环境下，继续沉积ABO₃钙钛矿氧化物薄膜，得到ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构；

(8)降低基片温度至400～500℃，在10³-10⁴Pa氧气氛进行退火处理，以降低薄膜中的氧空位浓度。

5.如权利要求4所述的ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构制备方法，其特征在于，所述步骤(2)为：将基片加热至550℃烘烤30分钟，烘烤过程中保持生长室真空度保持为1×10^-5Pa，以除去化学清洗过程中在基片表面残留的化学试剂。

6.如权利要求4所述的ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，MgO势垒层的厚度为2～20nm。

7.如权利要求4所述的ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在400℃以下的低温环境下外延生长MgO势垒层。

8.如权利要求4所述的ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构制备方法，其特征在于，步骤(5)中TiO₂模板层厚度为2-3nm。

9.如权利要求4所述的ABO₃/TiO₂/MgO/III-V族氮化物半导体异质结构制备方法，其特征在于，所述基片为六方III-V族氮化物半导体衬底基片。

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