GaN基异质结器件是利用AlGaN势垒层对GaN的应力作用,由逆压电效应使界面能带弯曲,产生二维电子气(2DEG)层。而AlGaN/GaN异质结构中的2DEG密度可通过铁电材料的自发极化效应进行调制,并可能产生新的特性和应用。因此,铁电材料与AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的异质集成是探索新型电子器件的一种极具吸引力的方法。然而由于传统的集成方法为直接在AlGaN/GaN异质结上沉积铁电薄膜,由于晶格失配很难得到高质量且较薄的薄膜,并且沉积与退火过程中的高温高氧环境不仅会造成相互扩散同时会引入界面态,这些因素会极大地影响AlGaN/GaN HEMT的性能以及铁电极化对2DEG密度的调制作用。为解决上述问题,本论文基于衬底剥离技术选择了典型铁电功能氧化物PbZr0.2Ti0.8O3进行与AlGaN/GaN HEMT的异质集成研究,论文工作中主要的创新点和研究成果如下:第一、利用衬底剥离技术,从根本上改进了传统的铁电/GaN异质集成方式,并首次于GaN基异质结集成衬底剥离的铁电薄膜。与在AlGaN/GaN上直接异质外延相比,衬底剥离技术不仅能够得到更薄更高质量的薄膜,还可以防止生长过程中的相互扩散与界面问题对器件性能的影响,这些优势保证了其对于2DEG浓度的优秀调控能力。更重要的是由于该技术具有普遍性和扩展性,不仅可以用于铁电/GaN还几乎适用于其他任何复杂氧化物薄膜与半导体材料或柔性基板之间的异质集成研究。第二、使用PLD系统在SrTiO3(STO)衬底上同质外延生长单晶PbZr0.2Ti0.8O3(PZT)薄膜,由于与衬底的晶体结构相匹配,故可以获得高质量单晶PZT外延层,而XRD和AFM结果也证明了这一点。利用衬底剥离和层转移技术从STO衬底得到了无损伤、大面积、高质量的PZT薄膜(20nm),经过转移前后的XRD、AFM数据的对比,证明衬底剥离过程中PZT薄膜依然保持了很好的质量,TEM图像说明PZT/AlGAN/GaN层结构之间具有清晰的界面。第三、利用转移薄膜制备了PZT/AlGaN HEMT,并研究了PZT薄膜的电学性能,实验结果表明转移的PZT薄膜具有良好的铁电性与绝缘性,其剩余极化强度(Pr)为15μC/cm2,当外加偏压为1V时,20nm厚的PZT薄膜漏电流密度仅为0.048mA/cm2,绝缘性良好。经过计算,AlGaN/GaN HEMT 和 PZT/AlGaN/GaN HEMT的沟道迁移率(μ)分别为1440 cm2/V·s和1350 cm2/V·s。后者的迁移率略低于前者,这表明PZT/AlGaN的界面质量良好,因此迁移率受界面态和界面陷阱的影响较小。第四、通过器件的C-V、I-V特性测试证明了铁电极化效应对AlGaN/GaN异质结界面2DEG密度的连续和非易失性调制。当极化电压从2V增加到7V时,阈值电压从-0.8V正向移动到2.1V,说明可以通过对器件施加不同的极化电压改变器件的工作类型(耗尽型转变为增强型)。同时器件具有较好的保持特性,在5V极化后,阈值电压于105 s期间的变化小于0.25V。根据霍尔测量的数据,极化效应对2DEG浓度的调制能力可以达到350%,为目前报道的最高水平。