PHT鐵電薄膜的制備與性能研究.pdf

1、鐵電薄膜材料是具有介電、壓電、熱釋電、鐵電等性質(zhì)的功能材料，被廣泛應(yīng)用于集成電子學(xué)、微電子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、光電子學(xué)等重要領(lǐng)域。鐵電薄膜是非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器(NVRAM)的重要組成部分。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和信息處理技術(shù)的高速發(fā)展，對NVRAM是的存儲(chǔ)密度、穩(wěn)定性及使用壽命都有了越來越高的要求。雖然傳統(tǒng)的鐵電材料(PZT、SBT等)的制備技術(shù)已很完善，但其在工業(yè)應(yīng)用方面還存在一些問題，如鐵電疲勞、制備溫度高等。探索可用于NVRAM的新型高性能

2、鐵電材料越來越重要。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Pb(HfxTi1-x)O3(PHT）鐵電薄膜具剩余極化強(qiáng)度高、矯頑場低、介電常數(shù)大、成分可調(diào)、抗疲勞特性好等優(yōu)點(diǎn)，可作為NVRAM的候選鐵電材料。
　　本論文以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電薄膜PHT為研究對象，對PHT與半導(dǎo)體材料(Si、GaN)的集成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要開展了以下工作：探索Pt(111)/TiO2/SiO2/Si襯底上PHT薄膜的最優(yōu)生長工藝；在Al2O3襯底上研究緩沖層對PHT薄膜微觀

3、結(jié)構(gòu)及性能的影響，并研究不同底電極對PHT薄膜的影響；初步探索鐵電薄膜PHT與半導(dǎo)體GaN集成結(jié)構(gòu)的性能。
　　1、首先在Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上采用PLD法制備PHT薄膜，探索PHT的最優(yōu)制備工藝。制備鐵電電容結(jié)構(gòu)(MIM)，研究PHT薄膜的本征電學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，生長過程中氧分壓和生長溫度對PHT薄膜的擇優(yōu)取向、鐵電極化及漏電流都有顯著的影響。然后引入低溫自緩沖層技術(shù)，有效改善薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。此外，本論文

4、還對比了不同生長溫度的自緩沖層對PHT薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)插入300℃自緩沖層得到沿(111)取向的高質(zhì)量外延PHT薄膜，薄膜晶粒大小均勻，且表面平整、結(jié)構(gòu)致密。與600℃直接沉積的PHT薄膜相比，300℃自緩沖層下外延薄膜的漏電流密度降低了3-4個(gè)數(shù)量級，剩余極化強(qiáng)度提高到63μC/cm2，矯頑場強(qiáng)降低至190 kV/cm，抗疲勞特性也得到了顯著改善。
　　2、對比研究了Al2O3襯底上直接和用MgO緩沖沉積PH

5、T薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)插入MgO緩沖層可使得PHT薄膜沿(111)擇優(yōu)取向生長，且薄膜結(jié)晶質(zhì)量良好，表面平整致密。然后對比Pt和SRO底電極對Al2O3襯底上沉積的PHT薄膜的微結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)由于SRO與PHT都為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)且具有相似的晶格常數(shù)，且SRO中的氧原子對PHT薄膜中的氧空位起到一定的補(bǔ)償作用，可以減少薄膜中的缺陷，SRO下電極上沉積的PHT薄膜具有更好的絕緣特性、更高的剩余極化強(qiáng)度、更強(qiáng)的抗疲勞特性。最后選用SR

6、O為底電極，研究了MgO緩沖層對PHT薄膜電學(xué)性能的影響。
　　3、對GaN襯底上制備的PHT薄膜進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在MgO緩沖作用下實(shí)現(xiàn)了PHT(111)薄膜在GaN襯底上的外延生長，且延續(xù)了MgO在GaN上生長的外延關(guān)系：PHT(111)//MgO(111)//GaN(0002)；PHT[1-10]//MgO[1-10]//GaN[11-20]。分別制備 Au/Ni/PHT/GaN(MFS)和 Au/Ni/PHT/MgO/GaN