[发明专利]铌酸锂/Ⅲ族氮化物异质结铁电半导体薄膜制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的利用脉冲激光沉积方法在三族氮化物及异质结上沉积铁电薄膜铌酸锂薄膜的方法，尤其是制备铁电半导体异质结构薄膜材料LiNbO₃/AlGaN/GaN的方法和应用。

背景技术

所谓铁电材料，是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性被称为“铁电现象”或“铁电效应”。当给这种晶体加上一个电压时，这些耦极子就会在电场作用下排列。改变电压的方向，可使耦极子的方向反转。耦极子的这种可换向性，意味着它们可以在记忆芯片上表示一个“信息单元”。而且，即使在电压断开时，这些耦极子也会保持在原来的位置，使铁电存储器不用电就能保存数据。这与大多数计算机中使用的随机存取存储器的记忆芯片明显不同，后者需要用电才能保存数据。

由于广泛的潜在应用，特别是在非挥发性、非破坏性读出存储器方面的应用，铁电场效应晶体管(FET)的概念引起了研究者浓厚的兴趣。然而，目前在铁电氧化物处理上仍存在困难。例如，高处理温度和产生的组分化学反应使得铁电氧化物很难集成到硅基集成回路上。铁电材料和硅基材料集成上的困难严重限制了该领域的发展。在这种情况下，选择能与高温铁电的处理过程相兼容的合适的半导体材料就成为铁电体/半导体器件发展的一个根本问题。

在过去的十年，鉴于GaN基材料高温高功率的电子应用，因为它具有高的热稳定性和化学稳定性，被集中研究的GaN基体系看起来是集成铁电/半导体器件最有前景的候选者，如AlN、AlGaN、GaN等材料的制备工艺也日趋成熟。由于铁电薄膜可以提供大的极化和高的介电常数，与传统GaN基金属/二氧化硅/半导体(MOS)结构的电容-电压(C-V)特性相比，GaN基金属/铁电体/半导体(MFS)结构的C-V特性能得到显著的提高。在MFS结构中，GaN激活层仅在5V电压下就能得到反转，这是一般半导体集成回路应用所的要求电压。^[1]除此之外，由于纤锌矿结构的III族氮化物能够展现出强烈的极化效应，铁电薄膜沉积在III族氮化物异质结上，能够用来裁剪和优化III族氮化物异质结界面的二维电子气分布。从而能够导致利用两种材料各自优势的多功能应用器件出现。另一方面，对于铁电薄膜沉积在异质结上，已经有直接的事实：通过反转铁电薄膜的极化方向，能够控制异质结二维电子气的传输特征。而且该结构在非挥发存储器应用上有潜在的应用价值，可在铁电栅上直接畴写，提供了一种灵活的以及非破坏性的方式，能把可重写的纳米模式应用到低维半导体中来。近年来，由于具有潜在的应用性，铁电体/III族氮化物异质结构，特别是在GaN和AlGaN上，引起了广泛的关注。^[2-5]

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发明内容