[논문 리뷰] Ferroelectricity in Polar ScAlN/GaN Epitaxial Semiconductor Heterostructures

Joseph Casamento, Ved Gund외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 21.

Acoustic Wave Resonator Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 GaN 기판 위에 분자선 에피택시(MBE)를 이용해 성장시킨 격자 일치, 에피택셜 ScAlN/GaN 이중구조에서 실온에서 페로일렉트릭성을 입증한다. 약 100 nm 두께의 MBE로 성장시킨 ScAlN은 약 0.7 MV/cm의 낮은 코ercivity 및 약 10 μC/cm²의 잔류 극화를 보이며, 안정적이고 반복 가능한 극화 전환을 보여, GaN의 고유한 극화성과 전자적 성질과 호환되는 저전압 페로일렉트릭 작동이 가능하다.

ABSTRACT

Room temperature ferroelectricity is observed in lattice-matched ~18% ScAlN/GaN heterostructures grown by molecular beam epitaxy on single-crystal GaN substrates. The epitaxial films have smooth surface morphologies and high crystallinity. Pulsed current-voltage measurements confirm stable and repeatable polarization switching in such ferroelectric/semiconductor structures at several measurement conditions, and in multiple samples. The measured coercive field values are Ec~0.7 MV/cm at room temperature, with remnant polarization Pr~10 μC/cm2 for ~100 nm thick ScAlN layers. These values are substantially lower than comparable ScAlN control layers deposited by sputtering. Importantly, the coercive field of MBE ScAlN is smaller than the critical breakdown field of GaN, offering the potential for low voltage ferroelectric switching. The low coercive field ferroelectricity of ScAlN on GaN heralds the possibility of new forms of electronic and photonic devices with epitaxially integrated ferroelectric/semiconductor heterostructures that take advantage of the GaN electronic and photonic semiconductor platform, where the underlying semiconductors themselves exhibit spontaneous and piezoelectric polarization.

연구 동기 및 목표

• III-질화물 반도체 플랫폼과의 통합을 위해 실온에서 안정적인 페로일렉트릭성을 갖는 ScAlN/GaN 이중구조를 달성하기 위해.
• 분자선 에피택시(MBE)를 이용해 고질적 ScAlN을 GaN 기판에 에피택셜 성장시키는 것을 입증하기 위해.
• GaN의 파손 전계에 맞는 저전압 페로일렉트릭 전환을 가능하게 하기 위해 ScAlN의 저코어시브 필드 값을 확보하기 위해.
• 스퍼터링으로 성장시킨 제어층과 비교하여 성장 방법의 영향을 부각시키기 위해 MBE로 성장시킨 ScAlN의 페로일렉트릭 성질을 비교하기 위해.
• GaN의 고유한 자발 및 피에조전기 극화 성질을 활용하여 새로운 페로일렉트릭/반도체 이중구조를 전자기기 및 광전자기기에서 실현하기 위해.

제안 방법

• 분자선 에피택시(MBE)를 사용하여 단일 결정 GaN 기판 위에 격자 일치, 약 18% ScAlN 층을 성장시켰다.
• 고해상도 기법을 이용해 표면 형태 및 결정성의 특성을 평가하기 위해 에피택셜 필름을 분석하였다.
• 극화 전환의 안정성과 가역성을 평가하기 위해 펄스 전류-전압 측정을 수행하였다.
• 다양한 조건과 여러 샘플에서 히스테리시스 루프로부터 코어시브 필드(Ec)와 잔류 극화(Pr)를 추출하였다.
• MBE로 성장시킨 ScAlN의 페로일렉트릭 성질을 스퍼터링으로 성장시킨 ScAlN 제어층과 비교하였다.
• 저전압 작동의 실현 가능성 평가를 위해 GaN의 임계 파손 전계를 기준으로 삼았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분자선 에피택시로 성장시킨 에피택셜 ScAlN/GaN 이중구조에서 실온에서 페로일렉트릭성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 MBE로 성장시킨 ScAlN의 코어시브 필드와 잔류 극화 값은 얼마이며, 스퍼터링으로 성장시킨 층과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ3 MBE로 성장시킨 ScAlN의 코어시브 필드가 충분히 낮아 GaN의 파손 전계를 초과하지 않으면서도 저전압 페로일렉트릭 전환을 가능하게 하는가?
• RQ4 여러 샘플과 측정 조건에서 안정적이고 반복 가능한 극화 전환이 입증될 수 있는가?
• RQ5 GaN의 고유한 자발 및 피에조전기 극화 성질이 이중구조의 기능성에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 실온에서 격자 일치, 약 18% ScAlN/GaN 이중구조에서 페로일렉트릭성이 성공적으로 입증되었다.
• MBE로 성장시킨 ScAlN 필름은 매끄러운 표면 형태와 높은 결정성을 보이며, 고품질의 에피택셜 성장임을 나타낸다.
• 펄스 전류-전압 측정을 통해 여러 샘플과 조건에서 안정적이고 반복 가능한 극화 전환이 확인되었다.
• 실온에서 코어시브 필드는 약 0.7 MV/cm로 측정되었으며, 스퍼터링으로 성장시킨 ScAlN 제어층보다 현저히 낮았다.
• 약 100 nm 두께의 ScAlN 층에서 잔류 극화는 약 10 μC/cm²에 도달하여 강한 페로일렉트릭 반응을 나타낸다.
• MBE로 성장시킨 ScAlN의 코어시브 필드는 GaN의 임계 파손 전계 이하이므로, 저전압 페로일렉트릭 작동이 가능하다.