Hf-Bi-,4-Ti-,3-O-,12-薄膜的鐵電性及其與GaN的集成生長(zhǎng)研究.pdf

1、Bi系層狀鈣鈦礦氧化物材料以其優(yōu)良的鐵電性能受到廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為是最有可能應(yīng)用到商用鐵電存儲(chǔ)器的材料。其中Bi4Ti3O12(BIT)基系列材料具有較大的自發(fā)極化，較低的處理溫度以及較高的居里溫度等特點(diǎn)，有利于商業(yè)化發(fā)展。但是純BIT薄膜剩余極化值小、抗疲勞特性差，必須對(duì)其進(jìn)行摻雜改性才能加以應(yīng)用。本論文選用B位等價(jià)Hf4+摻雜的BIT(BTH)薄膜材料為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了BTH薄膜性能改善的原因以及BTH薄膜的鐵電各向異性，并在此

2、基礎(chǔ)上開展了BTH薄膜與第三代寬禁帶半導(dǎo)體GaN的集成研究。主要包括以下內(nèi)容： 首先開展了BTH薄膜脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)的生長(zhǎng)研究，探索了主要工藝參數(shù)(沉積溫度、氧分壓)對(duì)BTH薄膜的影響，優(yōu)化了BTH薄膜生長(zhǎng)工藝，制備出了高質(zhì)量的BTH薄膜。離子摻雜會(huì)導(dǎo)致BIT薄膜鐵電性能的改善。為此，本論文在SrTiO3(111)單晶基片上分別制備了以導(dǎo)電氧化物SrRuO3為底電極的BIT薄膜和BTH薄膜，研究了Hf摻雜對(duì)Bi系層狀鐵

3、電薄膜的微結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性的影響。實(shí)驗(yàn)表明，Hf摻雜不會(huì)改變薄膜的層狀結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)取向，但能有效提高薄膜的鐵電性能，以滿足鐵電存儲(chǔ)器應(yīng)用的要求：剩余極化強(qiáng)度增大至3倍，矯頑場(chǎng)減小至70％，抗疲勞特性得到明顯的改善。 控制薄膜的生長(zhǎng)取向，制備取向趨近于極化方向的薄膜是提高其鐵電性能的一個(gè)重要途徑。而離子摻雜可能改變Bi系層狀鐵電薄膜原有的極化方向，因此，研究Hf摻雜對(duì)BIT薄膜各向異性的影響至關(guān)重要。采用PLD方法在單晶氧化物基片ST

4、O(001)、STO(111)上分別外延生長(zhǎng)了c軸(001)-BTH薄膜和近α軸的(104)-BTH薄膜。(104)-BTH薄膜的剩余極化強(qiáng)度和介電常數(shù)εr(分別為45.7μC/cm2、425)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于c軸BTH薄膜(分別為1.5μC/cm2、245)，其鐵電各向異性與純BIT薄膜是一致的。換句話說(shuō)，B位等價(jià)Hf摻雜不會(huì)改變Bi系層狀鐵電薄膜的各向異性，對(duì)于這類材料，控制其生長(zhǎng)取向、制備非c軸(或近α軸)取向薄膜是獲取鐵電性能良好的B

5、TH薄膜的有效途徑。 鐵電/半導(dǎo)體集成薄膜由于其廣泛的應(yīng)用背景一直倍受青睞，論文開展了BTH/GaN集成薄膜的制備和性能研究。通過(guò)TiO2和SrRuO3(SRO)薄膜的緩沖，實(shí)現(xiàn)以(104)BTH薄膜與GaN的集成生長(zhǎng)。SRO/TiO2雙層過(guò)渡層降低了鐵電薄膜和半導(dǎo)體材料間的晶格失配，有效的改善了其界面特征，使得在GaN上制備的BTH薄膜具有與在單晶STO基片上制備的BTH薄膜相近的鐵電特性和漏電流密度。這一研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)GaN