LiNbO3/ZnO异质结构的制备及电学性能

由于其在不易失存储领域的巨大潜在应用，铁电-半导体异质结构的研究受到广泛关注。综合考虑制备工艺的兼容性和晶格结构的匹配性，本项目将选用LiNbO3（LNO）铁电材料和ZnO极性半导体制备新型的异质结构-极化耦合体系，并对其微观结构和电学性能进行研究。本项目将重点研究以下三个方面：(1) LNO/ZnO异质结构的制备。主要包括LNO薄膜在ZnO半导体上的生长机理、ZnO的自发极化场对LNO薄膜外延生长和微结构的影响、界面晶格应变的产生及弛豫机理等；(2) LNO/ZnO极化体系的电学性质。以界面极化耦合和铁电极化调制为研究核心，具体包括LNO薄膜的铁电性能、异质结构的电学性能和导电机制等；(3) LNO/ZnO异质体系的微观结构与性能之间的关系，主要包括外延结构、界面特征和电畴结构等。本项目的实施将为深入认识界面耦合效应、探索铁电-半导体集成研究的新领域和研制新型半导体电子器件提供实验指导。

将介电材料以固态薄膜的形式与半导体进行集成已成为当前电子材料研究的前沿和热点之一。利用介电材料的极化等性能对半导体的输运性质进行调制，可诱导和耦合产生新的性能，为新型电子器件的研制提供新思路。本项目针对上述背景选取铌酸锂（LiNbO3，简称LN）铁电薄膜材料与宽禁带半导体ZnO进行集成，构建出不同类型的LN/ZnO异质结构，重点围绕该类集成结构的界面效应和极化调制开展了系统的研究。在本项目研究过程中，已开展的主要研究内容和所取得的主要研究结果如下：. 首先，通过改变薄膜沉积过程中的工艺条件，在Al2O3单晶基片上生长了不同的LN薄膜，并对所制备的LN薄膜的晶格结构进行分析，从而获得了本研究中制备单一C轴LN薄膜的优化工艺条件：在靶基距为30 mm时，基片温度为550 ℃、氧偏压为20 Pa。. 其次，通过在ZnO表面沉积LN铁电薄膜，构建出LN/ZnO双层异质结构，并对其电性能进行研究。研究结果表明：该集成薄膜表现出明显的铁电极化调制效应，其C-V曲线具有明显的逆时针回线特征。随着扫描电压的增加，回线尺寸逐渐增大。当电压达到8V时，回线达到3.3V。在整个扫描范围内，无明显电子注入现象产生。进一步构建界面能带结构，对异质结构的电性能特征进行了阐释。. 再次，利用ZnO纳米层对界面的修饰作用，将LN/ZnO复合薄膜与GaN半导体进行集成。进一步利用掩模层方法，首次研制出一种LN/ZnO/AlGaN/GaN增强型场效应管器件。该器件表现出良好的电性能，最大输出电流为204 mA/mm，最大跨导为46 mS/mm。该项研究内容为发展低功耗GaN逻辑电路提供了一种全新的方法。. 最后，将ZnO纳米层对集成结构的界面控制方法延伸到Si的异质结构中，形成了LN/ZnO/Si集成结构，该集成结构表现出良好的铁电极化调制性能。进一步通过组分、结构与界面控制，首次发现了该集成结构的光电响应开关性能，并利用界面能带结构探讨了该性能的产生和影响机理。. 总之，通过对不同类型LN/ZnO集成结构和原型器件的研究，本项目工作从追求单一材料性能极限的研究转移到集成结构的性能耦合领域，既为研制高密度、低功耗、多功能电子器件提供了新的材料选择，又为实现信息探测、传输和存储等多功能的单片集成发展了新的途径。