介电/半导体复合薄膜生长控制(3)

　　图6是STO/TiO2/GaN/Al2O3集成薄膜的XRD衍射图, 表明STO薄膜是(111)取向. 和直接生长的薄膜相比, 其面外的匹配关系没有变化, 但面内ω摇摆曲线显示半高宽(FWHM)仅为0.85°, 表明了过渡层插入提高了STO的结晶质量. 此外, 在图6中可以看到, 过渡层TiO2(200)的衍射峰很弱, 这是由于我们采用纳米厚度的TiO2诱导STO薄膜的生长.

图6 STO/TiO2/GaN/Al2O3的XRD的θ/2θ图谱

　　图7是复合薄膜的XRD的Ф扫描图谱, 它和RHEED分析相一致, 均发现TiO2和STO薄膜具有六重对称性. SrTiO3(111)面本身是三重对称的, 生长时面内通过形成旋转180°的双畴结构与GaN形成匹配所形成的; 过渡层TiO2(100)通过面内120°旋转实现和GaN及STO的外延匹配.

图7 STO/TiO2/GaN/Al2O3的XRD的Ф扫描图谱

　　我们采用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)进一步表征集成薄膜的断面微结构. 图8是断面图和选区电子衍射图. 图8(a)中表明, 约为1 nm的TiO2诱导了STO的外延生长, 界面清晰, 没有界面反应和扩散发生. 图8(b)显示了STO和GaN的两套衍射点. 因此,根据RHEED, XRD和HRTEM表征结果可以得到, 薄膜的外延关系为

(111)STO//(100)TiO2//(0001)GaN和[1−10]STO //[001]TiO2 //[11−20]GaN.

图8 STO/TiO2/GaN/Al2O3的HRTEM断面图 和选区电子衍射图

　　为更好理解STO在GaN衬底上的生长行为, 我们采用ZnO/STO生长中的近重位点阵(nearly coinci-dence site lattice, NCSL)理论解释. 集成薄膜面内二位生长晶向关系如图9所示.

图9 STO/TiO2/GaN基片上的外延关系示意图

　　STO(111)//GaN(0002)的晶格失配度为13.3%, 而根据真空技术网另外篇相关文章所提到的TiO2沿〈110〉STO方向的失配仅为1.3%. 过渡层的插入大大减小了STO//GaN之间的失配率, 使得STO能在较低温度500℃下实现高质量的外延生长. 从化学结构来讲, 最初的几个原子层的TiO2可以看成STO的种子层, 促进了STO的外延生长.

　　此外, 我们还研究了半导体ZnO和AlN薄膜在介电材料STO的集成生长, 发现SrTiO3的晶体取向直接诱导了六方ZnO薄膜的外延生长, 对于非极性的(001)SrTiO3表面, ZnO均为多畴结构, 而对于(011)和(111)SrTiO3的极性表面, ZnO多为单畴结构; AlN在SrTiO3(001)上外延生长, 受衬底的诱导和晶格失配的影响, 制备的AlN外延薄膜为纯立方结构, 外延关系为, (100)AlN//(100)STO和[100] AlN//[100]STO.

3、结论.

　　电子信息系统的微小型化和单片化的发展潮流, 不断促进电子材料的薄膜化和电子器件的片式化的快速发展. 本文阐述了介电/半导体复合薄膜研究现状, 提出了集成薄膜具有多功能一体化和性能调制耦合两大特征, 这为电子系统中实现有源-无源单片集成和发展更高性能电子器件提供了新的思路. 针对集成薄膜协同生长和调制耦合两个关键科学问题, 提出了利用特殊缓冲层控制界面的方法. 本文利用激光分子束外延技术, 通过自缓冲和过渡层诱导等方法, 在GaN上外延生长了SrTiO3介电薄膜, 形成了SrTiO3/GaN复合结构. 其中通过几个纳米TiO2过渡层的诱导, 实现了高质量SrTiO3外延生长薄膜, 其外延关系为: (111)[1−10]SrTiO3//(100)[001]TiO2(0001)//[11−20]GaN, SrTiO3薄膜面内ω摇摆曲线半高宽(FW- HM)为0.85°. 这为进一步研究介电/半导体复合薄膜与器件, 实现多功能集成和界面诱导耦合增强效应奠定了基础.