STO薄膜的非線性介電性質(zhì)及其微波應(yīng)用研究.pdf

1、SrTiO3(STO)薄膜在液氮溫區(qū)具有良好的非線性介電性質(zhì)，且可與高溫超導(dǎo)薄膜，如YBa2Cu3O7-x(YBCO)薄膜，組成異質(zhì)外延多層薄膜，是研制各種高品質(zhì)壓控微波器件的重要材料。 本論文首先開展了STO薄膜的脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)生長研究，系統(tǒng)研究了各種工藝參數(shù)(沉積溫度、氧分壓、激光能量密度、脈沖頻率、原位退火時間等)以及基片(基片種類、基片臺階結(jié)構(gòu)等)對STO薄膜微觀結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律，優(yōu)化了STO薄膜的生長工藝，制

2、備出了高質(zhì)量的STO薄膜；并在此基礎(chǔ)上，提出了采用基片斜切處理和間隙式沉積相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了STO薄膜的二維層狀異質(zhì)外延生長，獲得了結(jié)晶良好、表面平整的STO外延薄膜，當薄膜厚度為300nm時，薄膜均方根表面粗糙度RMS=0.25nm，達到了原子級平整。為STO/YBCO集成薄膜的生長奠定了基礎(chǔ)。 在工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，本論文還系統(tǒng)研究了STO薄膜介電性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，重點討論了晶粒尺寸、薄膜應(yīng)力等對STO薄膜非線性介電

3、性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明：晶粒尺寸較大的STO薄膜，體現(xiàn)出較強的非線性介電性質(zhì)；當STO薄膜存在壓應(yīng)力時，薄膜在應(yīng)力方向的非線性介電性減弱，當STO薄膜存在張應(yīng)力時，薄膜在應(yīng)力方向的非線性介電性增強。這些研究結(jié)果為優(yōu)化STO薄膜非線性介電性質(zhì)提供了必要的理論依據(jù)。 作為氧化物薄膜，氧空位必然對STO薄膜的非線性介電性質(zhì)產(chǎn)生影響，為此本論文還系統(tǒng)研究了氧空位濃度對STO薄膜介電性質(zhì)的影響。實驗發(fā)現(xiàn)：含有較高濃度氧空位的STO薄膜，

4、其非線性介電性較高，但是耐壓能力下降，而含有較低濃度氧空位的STO薄膜，其非線性介電性較低，但是耐壓能力較強，為此，本論文提出了通過在STO薄膜生長過程中連續(xù)改變沉積氧分壓的辦法，制備出了氧空位濃度梯度變化的STO薄膜，該薄膜體現(xiàn)出良好的非線性介電性和抗電強度，具有較大的實用價值，目前尚未見報導(dǎo)。 為了定量研究STO薄膜的介電性質(zhì)，本論文在總結(jié)介質(zhì)薄膜覆蓋的叉指電容計算方法的基礎(chǔ)上，利用有限元建模，分析了高介電常數(shù)鐵電薄膜叉指電

5、容器的特性，優(yōu)化了叉指電容拓撲結(jié)構(gòu)，從而提高電容可調(diào)率。研究發(fā)現(xiàn)：當薄膜介電常數(shù)為基片介電常數(shù)3倍以上時，叉指電容量與薄膜介電常數(shù)近似成線性關(guān)系；減小叉指寬度和縫隙寬度有利于增加叉指電容的可調(diào)率；通過優(yōu)化叉指電容的拓撲結(jié)構(gòu)，叉指電容可調(diào)率(ΔC/C)可以達到薄膜介電常數(shù)變化率(Δεr/εr)的90％～95％以上。 在材料研究和鐵電薄膜叉指電容設(shè)計的基礎(chǔ)上，本論文研制了性能良好的STO薄膜壓控叉指電容，并將其集成到微帶壓控諧振器和