【摘 要】
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增强型GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)具有高压、高频、大功率、小型化等优异特性,已成为下一代功率电子的核心技术。基于新的器件物理机制,将铁电和p型半导体等功能化氧化物薄膜设计为晶体管栅极功能层并与AlGaN/GaN异质结集成,为研制高性能增强型HEMT带来新的契机。然而,由于材料体系晶体结构的差异性、多层薄膜体系表界面的多样性以及界面耦合机制的复杂性等因素,导致
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
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增强型GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)具有高压、高频、大功率、小型化等优异特性,已成为下一代功率电子的核心技术。基于新的器件物理机制,将铁电和p型半导体等功能化氧化物薄膜设计为晶体管栅极功能层并与AlGaN/GaN异质结集成,为研制高性能增强型HEMT带来新的契机。然而,由于材料体系晶体结构的差异性、多层薄膜体系表界面的多样性以及界面耦合机制的复杂性等因素,导致在薄膜集成设计、器件物理机制、器件可行性等方面存在一系列瓶颈问题,限制了功能氧化物栅极增强型HEMT器件的应用。针对上述问题,本研究通过在不同晶格结构薄膜材料之间引入界面缓冲层,实现了功能氧化物薄膜在GaN半导体上的高质量异质外延集成,揭示了氧化物薄膜功能特性与AlGaN/GaN二维电子气(2DEG)的界面耦合机理,解析了功能氧化物栅极增强型HEMT器件物理机制并论证了器件可行性。(1)功能氧化物薄膜GaN基外延集成基于晶格匹配的外延生长机制,通过界面晶格缓冲层设计可实现复杂功能氧化物薄膜在GaN半导体上的高质量外延集成。采用脉冲激光沉积方法(PLD),设计的La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_3/TiO_2缓冲层显著降低界面晶格失配度,诱导高性能钙钛矿型0.7Pb(Mg_(1/3)Nb_(1/3))O_3-0.3PbTOi_3铁电薄膜在纤锌矿型GaN半导体上的外延集成;设计了立方尖晶石型CoFe_2O_4磁性功能缓冲层,不仅可诱导钙钛矿型BaTiO_3(BTO)铁电功能薄膜在纤锌矿型GaN半导体上的外延生长,而且实现了磁电性能优异的BaTOi_3/CoFe_2O_4多铁异质结在GaN半导体上的外延集成;设计了面心立方结构TiN、密排六方结构Ti和尖晶石结构MgAl_2O_4三种不同晶体结构的界面缓冲层,实现了钙钛矿型SrTOi_3介电薄膜在GaN上的高质量外延集成,为其它复杂功能氧化物薄膜在GaN的外延集成提供了优质的模板缓冲层,并在原子尺度上揭示了具有TiN单胞缓冲层的SrTOi_3/TiN/GaN异质结构外延生长机理。(2)铁电氧化物栅极增强型HEMT器件采用PLD方法,设计并构筑了BaTiO_3/MgO/AlGaN/GaN/Si铁电-半导体异质结构,发现BTO/GaN界面处的空间电荷区诱导了BTO薄膜中铁电畴向上的自发铁电极化,并使得异质结阈值电压显著提升。揭示了BTO中铁电极化与AlGaN/GaN界面2DEG具有强界面极化耦合效应,通过调控BTO中铁电极化状态,实现了异质结中阈值电压由-0.4V到 3.2V的连续可控调制,证实了铁电栅极增强型HEMT器件的可行性。为进一步提高铁电栅极HEMT器件性能,以Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2(HZO)铁电薄膜作为栅极介质层,构筑了HZO/MgO/AlGaN/GaN/Si外延异质结构。调控HZO中铁电极化状态,实现了异质结中阈值电压由-3.8V到 3.2V之间的连续可控调制,且探测到高达 5.5V的超高阈值电压。证实HZO/MgO/AlGaN/GaN/Si外延异质结具有高阈值电压、弱退极化效应和良好的半导体工艺兼容特性,适合于研制高性能铁电栅极增强型HEMT器件。(3)P型氧化物栅极增强型HEMT器件采用PLD方法,在AlGaN/GaN异质结上设计制备了高外延质量、高空穴浓度和宽禁带的p型Li掺杂NiO薄膜,揭示出p型氧化物半导体与GaN的能带匹配特性是决定器件阈值电压的核心因素。P型氧化物半导体中价带能级与GaN导带能级的能级差值决定了p型氧化物层对AlGaN/GaN界面2DEG的耗尽能力,而本征p型氧化物与GaN半导体能带匹配较差,限制了器件阈值电压的提高。提出了p型氧化物栅的材料设计规则,将本征n型氧化物半导体调制掺杂为p型半导体并作为氧化物栅极层,对于提高HEMT阈值电压更具优势。
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