CN1381897A - 一种基于AIxGa1－xN/GaN异质结的铁电体/半导体存贮器结构及其制法 - Google Patents
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Abstract
基于AlxGa1－xN/GaN异质结的铁电体/半导体存贮器结构及其制法,在蓝宝石衬底上首先用MOCVD技术生长AlxGa1－xN/GaN调制掺杂异质结构,然后在AlxGa1－xN上用PLD技术生长PZT铁电薄膜,最后用电子束蒸发技术分别在AlxGa1－xN层上淀积Ti/Al欧姆接触电极和在PZT层上淀积Al电极。这种结构利用了PZT/AlxGa1－xN界面的高温稳定性,避免了普通的铁电体/SiMFS结构的界面互扩散和界面反应问题。同时,这种结构以AlxGa1－xN/GaN异质界面高浓度、高迁移率的二维电子气为沟道载流子,有利于提高存贮器结构的响应速度等性质。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种基于AlxGa1-xN/GaN异质结的铁电体/半导体存贮器结构，包括铁电体中的铁电极化效应和AlxGa1-xN层中的压电极化效应对AlxGa1-xN/GaN异质界面二维电子气密度的调制机制，以及这种存贮器结构的制备方法。
二、技术背景
从上世纪70年代以来，国际上就做出各种努力，想利用铁电材料极强的极化效应和很高的相对介电常数，把铁电体引入以半导体材料为主的微电子技术中，其中最有希望的一种器件结构是金属-铁电体-半导体场效应晶体管(MFS-FET)，这种器件可用于制作不挥发型的只读存贮器。
从半导体器件的角度看，MFS-FET依然属于金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MIS-FET)的范畴，但是在MFS-FET结构中，用铁电体做绝缘体，代替了一般金属-氧化物-半导体(MOS)场效应器件中的SiO2。很长一段时间以来，人们一直用Si材料作为MFS-FET中的半导体沟道材料，主要优势是在器件制备上与现有的半导体MOS器件工艺兼容。但这种结构在技术上遇到的主要问题是Si上淀积铁电薄膜必须在高温下进行，且淀积后铁电薄膜又需进行热退火处理，在这些过程中铁电体/Si界面的原子互扩散非常严重，并发生界面固相反应，从而铁电体/Si界面性质难以控制。同时，铁电体/Si界面存在的高界面态密度严重破坏了MFS-FET存贮器结构的特性。这些问题多年来严重制约了Si基铁电存贮器的发展。
III族氮化物宽带隙半导体材料(含GaN、AlN、InN及其三元合金)是近年来国际上高度重视的第三代新型半导体材料，具有耐高温、耐腐蚀，高饱和电子漂移速度，高击穿场强，直接带隙等优异的物理化学性质。AlxGa1-xN/GaN异质结构被认为是发展高温、高功率、高频半导体器件的首选材料体系，AlxGa1-xN/GaN异质结构场效应晶体管(HFET)，又称高电子迁移率晶体管(HEMT)的研制水准迅速提高，工艺技术基本成熟，器件性能已接近实用化。同时，以SiO2为栅材料的AlxGa1-xN/GaN MIS-HFET的研究也受到了高度重视。因此，如果用III族氮化物材料，特别是AlxGa1-xN/GaN异质结构材料代替Si材料用于研制MFS-HFET存贮器结构，既可以解决铁电体/Si界面的高温不稳定问题，也能充分利用AlxGa1-xN/GaN异质界面二维电子气(2DEG)很好的输运性质，提高此类存贮器结构的响应速度。
三、发明内容
本发明的目的是研制出以AlxGa1-xN/GaN异质结构为半导体沟道的MFS结构，实现其存贮性能，提高此类存贮器结构的响应速度。
本发明的目的是这样实现的：
以蓝宝石为衬底，设有高质量的AlxGa1-xN/GaN调制掺杂异质结构，X取值在0.15-0.30之间；再在AlxGa1-xN层上生长PZT铁电薄膜，最后分别在AlxGa1-xN层和PZT层上制备底电极和顶电极。
GaN厚度1-2um，AlxGa1-xN层厚度10-100nm，PZT层厚度100-500nm。
由于AlxGa1-xN和GaN之间的晶格失配，以及AlxGa1-xN很高的压电系数，GaN上AlxGa1-xN层中存在很强的压电极化效应，导致AlxGa1-xN/GaN异质界面形成浓度达～1013cm-2的二维电子气(2DEG)，2DEG迁移率达1000cm2/V.s以上，以此形成AlxGa1-xN/GaN基MFS结构中较为理想的沟道。
以脉冲激光淀积(PLD)技术在AlxGa1-xN层上淀积Pb(Zr0.53Ti0.47)O3(锆钛酸铅，简称PZT)薄膜。PZT是一种典型的铁电材料，其零电场下剩余极化电荷可达10μC/cm2，其相对介电常数可高达1000以上。很薄的PZT膜(几百纳米)就可以产生很强的极化电场来调制AlxGa1-xN/GaN异质界面沟道中的2DEG浓度。
最后采用电子束蒸发方法在PZT膜上做出Al电极(顶电极)，在AlxGa1-xN/GaN上做出Ti/Al欧姆接触电极(底电极)，形成可以进行电学性质测量的AlxGa1-xN/GaN基MFS结构。
本发明在国际上首次采用AlxGa1-xN/GaN异质结构作为MFS存贮器结构的半导体沟道，主要创新点包括：(1)由于III族氮化物材料的高温稳定性，可以解决铁电体/Si界面的高温不稳定和界面固相反应等问题；(2)利用了AlxGa1-xN层很强的极化效应，一方面使AlxGa1-xN/GaN异质界面产生高浓度、高迁移率的二维电子气，形成了较理想的器件沟道；另一方面，AlxGa1-xN层形成的极化场与PZT层形成的极化场(在负偏压下两者方向相反)共同作用，使得MFS结构的电容-电压(C-V)存贮窗口完全在负偏压下实现。这意味着在不需要PZT铁电薄膜进行极化反转的情况下就可以产生C-V存贮窗口，从而大大减小了Si基MFS结构中由于铁电反转疲劳效应带来的各种问题。这种无需铁电极化反转就可实现C-V存贮窗口的特性是Si基MFS结构不可能实现的。
四、附图说明
图1：PZT/Al0.22Ga0.78N/GaN MFS结构示意图
图2：Al0.22Ga0.78N/GaN调制掺杂异质结构的高分辨X射线衍射ω/2θ摇摆曲线。多个卫星峰说明了异质结构的高质量和异质界面的陡峭。这是在Al0.22Ga0.78N/GaN异质界面形成高浓度、高迁移率2DEG的基础。
图3：(a)PZT/Al0.22Ga0.78N/GaN MFS结构简图，(b)该结构在负偏压下的电荷分布示意图，(c)导带结构示意图，实线表示存在PZT铁电极化的情形，虚线表示没有PZT铁电极化的情形，Pf表示PZT层中的铁电极化矢量(负偏压下)，Pp表示Al0.22Ga0.78N层中的压电极化矢量，Pf与Pp方向相反。Pf随外加偏压变化，它在负偏压下抬高GaN层导带底，使Al0.22Ga0.78N/GaN异质界面三角形量子阱变浅，导致2DEG浓度下降。Pp不随外加偏压变化，它的作用正好与Pf相反，使Al0.22Ga0.78N/GaN界面量子阱变深，导致2DEG浓度上升。
图4：Al0.22Ga0.78N/GaN基MFS结构1MHz时的高频C-V曲线，全图是整个电压扫描范围的曲线，内图是负偏压下的曲线。当偏压大于0.7V(正偏)时，电容C取决于PZT膜，由于其很大的相对介电常数，C很大；当偏压变为负偏时，电压加在Al0.22Ga0.78N层上，C急剧下降。-9V偏压附近C的变化是由于2DEG的耗尽。
图5：Al0.22Ga0.78N/GaN基MFS结构的C-V扫描迟滞回线，为反时针方向。C-V铁电存贮窗口在-9V附近，宽度0.2V，它是由于电压正扫和反扫过程中不同的铁电极化状态导致的，整个C-V存贮窗口在负偏压范围内，表明PZT膜的铁电极化未发生反转。
五、具体实施方法
以表面为(0001)面的蓝宝石为衬底，用MOCVD生长Al0.22Ga0.78N/GaN调制掺杂异质结构。生长时，以GaN为缓冲层(厚度30nm)生长温度488℃；然后，外延生长GaN层(厚度2μm)生长温度1030℃；然后再生长未掺杂的Al0.22Ga0.78N层，厚度3nm，生长温度1080℃；最后生长Si掺杂n型Al0.22Ga0.78N层，厚度75nm，生长温度1080℃。MOCVD生长在常压下进行，生长源分别为三甲基镓(TMG)，三甲基铝(TMA)和高纯氨气(NH3)，载气和稀释气体为氢气(H2)。Al0.22Ga0.78N层组份比由TMG和TMA之流量比决定。
在Al0.22Ga0.78N/GaN异质结构上用脉冲激光淀积(PLD)生长PZT薄膜，膜厚400nm，激光器为KrF准分子激光器(波长248nm)，淀积时在靶表面形成2.5J/cm2的能量密度，生长温度750℃。
最后采用电子束蒸发方法在PZT膜上做出Al电极(顶电极)，在AlxGa1-xN/GaN上做出Ti/Al欧姆接触电极(底电极)，形成Al0.22Ga0.78N/GaN基MFS结构。
高质量AlxGa1-xN/GaN调制掺杂异质结构的制备是AlxGa1-xN/GaN基MFS存贮结构制备的核心技术，下列过程为典型的Al0.22Ga0.78N/GaN调制掺杂异质结构MOCVD生长工艺：
GaN缓冲层的生长及退火：
TMG流量：15μmol/min，NH3流量：3.5SLM/min，H2流量：3.0SLM/min
生长温度：488℃
生长时间：140秒，厚度30nm
生长压力：760 Torr
生长后退火：H2流量：1.0SLM/min，NH3流量：0.5SLM/min；1030℃；5min
非掺杂GaN(i-GaN)外延层生长：
TMG流量：60μmol/min，NH3流量：4.0SLM/min，H2流量：0.5SLM/min
生长温度：1030℃
生长时间：60min，厚度2μm
生长压力：760 Torr
非掺杂Al0.22Ga0.78N(i-AlGaN)外延层生长：
TMG流量：10μmol/min，TMA流量：12μmol/min，NH3流量：4.0SLM/min，
H2流量：0.5SLM/min
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生长时间：39秒，厚度3nm
生长压力：760 Torr
Si掺杂n型Al0.22Ga0.78N(n-AlGaN)外延层生长：
TMG流量：10μmol/min，TMA流量：12μmol/min，NH3流量：4.0SLM/min，
H2流量：0.5SLM/min，SiH4流量：1.0sccm/min
生长温度：1080℃
生长时间：675秒，厚度75nm
生长压力：760 Torr
Claims (3)
1.基于AlxGa1-xN/GaN异质结的金属/铁电体/半导体(MFS)存贮器结构，其特征是在蓝宝石衬底上生长AlxGa1-xN/GaN异质结构，X取值在0.15-0.30之间；再在AlxGa1-xN层上生长PZT铁电薄膜，最后分别在AlxGa1-xN层和PZT层上制备底电极和顶电极。
2.由权利要求1所述的基于AlxGa1-xN/GaN异质结的MFS存贮器结构，其特征是GaN厚度1-2um，AlxGa1-xN层厚度10-100nm，PZT层厚度100-500nm。
3.由权利要求1所述的基于AlxGa1-xN/GaN异质结的MFS存贮器结构的制备方法是以(0001)面的蓝宝石为衬底，经常规清洗后，采用MOCVD生长技术，经预处理、GaN缓冲层生长和退火、非掺杂GaN外延层生长、非掺杂AlxGa1-xN外延层生长和Si掺杂n型AlxGa1-xN外延层生长几个阶段完成AlxGa1-xN/GaN调制掺杂异质结构的制备，生长源分别为三甲基镓(TMG)，三甲基铝(TMA)和高纯氨气(NH3)，载气和稀释气体为氢气(H2)；PZT铁电薄膜采用脉冲激光淀积(PLD)技术制备；采用电子束蒸发分别在AlxGa1-xN层上淀积Ti/Al欧姆接触电极(底电极)和在PZT层上淀积Al电极(顶电极)。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |