專(zhuān)利名稱(chēng)：具有應(yīng)力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及位移型鐵電超晶格薄膜的低維電子信息材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
一種材料具有鐵電特性的必要條件是它的結(jié)構(gòu)必須是非中心對(duì)稱(chēng)的，即具有唯一的一個(gè)自發(fā)極化軸。如BaTiO3在溫度為120℃以上時(shí)，屬于對(duì)稱(chēng)的立方相，此時(shí)它不具有鐵電性，但當(dāng)溫度降到120℃以下時(shí)，BaTiO3屬于非中心對(duì)稱(chēng)的四方相結(jié)構(gòu)，為典型的鐵電材料。
鐵電材料按相轉(zhuǎn)變的微觀機(jī)構(gòu)可分為位移型轉(zhuǎn)變的鐵電材料和有序一無(wú)序型轉(zhuǎn)變的鐵電材料兩類(lèi)。位移型鐵電材料的相變機(jī)理是材料中同一類(lèi)離子的亞點(diǎn)陣相對(duì)于另一類(lèi)離子的亞點(diǎn)陣的整體位移，其代表性材料為BaTiO3、LiNbO3和PbTiO3等含氧八面體結(jié)構(gòu)的雙氧化物。位移型鐵電材料是目前應(yīng)用最多的一類(lèi)鐵電材料。本發(fā)明的技術(shù)方案主要就是針對(duì)位移型鐵電材料而制定的。
目前塊狀的鐵電晶體研究得已比較成熟，并且已廣泛應(yīng)用于傳感器、聲表面波器件、鐵電存儲(chǔ)器、二次諧波發(fā)生器等領(lǐng)域。但隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)器件的要求越來(lái)越小，存儲(chǔ)密度越來(lái)越高，所以近十多年來(lái)，鐵電薄膜得到迅速發(fā)展，以便能與集成半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，使其在微波單片集成電路、光波導(dǎo)、微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
可是許多材料當(dāng)尺寸或薄膜厚度減小后，其性能下降或消失。比如，一般情況下，鐵電薄膜的厚度降低到一定程度時(shí)，其介電常數(shù)或剩余極化強(qiáng)度迅速降低，這就極大地限制了它們的應(yīng)用。為了使鐵電薄膜材料做成的器件適應(yīng)微電子技術(shù)發(fā)展的要求，即要求鐵電薄膜材料的厚度在減小到一定的程度(通常為十納米數(shù)量級(jí)的范圍)內(nèi)同時(shí)又要保證材料有足夠的鐵電性能，這是現(xiàn)有技術(shù)中尚未解決的技術(shù)問(wèn)題之一。
由于無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的存在是結(jié)構(gòu)上保證材料具有鐵電性的必要條件，所以提高其鐵電性能的方法之一是增加結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)性，通常采取的方法是增加材料應(yīng)變來(lái)增大材料結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)。低維結(jié)構(gòu)的鐵電超晶格薄膜就是利用構(gòu)成超晶格的兩種材料的晶格失配，產(chǎn)生應(yīng)變，使薄膜在超薄的條件下，仍然呈現(xiàn)出通常塊材才具有、而一般鐵電薄膜不具備的電學(xué)性能，如非常高的介電常數(shù)或較高的剩余極化強(qiáng)度等。因此，鐵電超晶格的研究已經(jīng)開(kāi)始受到越來(lái)越多的關(guān)注，已成為目前材料技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
但是，采用鐵電超晶格薄膜技術(shù)只能在一定程度上提高鐵電薄膜的鐵電性能，尚不能保證其在工業(yè)生產(chǎn)中能夠應(yīng)用；況且，由于各種鐵電材料在相同條件下，所呈現(xiàn)的性能差別很大，如介電常數(shù)、剩余極化強(qiáng)度、以及存貯電荷密度等，所以不同組分材料的鐵電超晶格薄膜在性能上也存在著很大的差異。目前，研究較多的鐵電材料有BaTiO3、SrTiO3、Pb系鐵電材料以及含Bi的層狀鐵電材料，相應(yīng)的鐵電超晶格的研究也主要集中在由這些材料構(gòu)成的薄膜上。但是由于Pb元素易揮發(fā)、有毒，使得Pb系鐵電超晶格一方面在應(yīng)用上受到限制，另一方面生長(zhǎng)超晶格時(shí)顯得十分困難，而B(niǎo)aTiO3/SrTiO3超晶格的損耗一直比較大。因此如何降低損耗，提高極化強(qiáng)度，對(duì)低維的鐵電超晶格實(shí)用化具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
如前所述，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題就是要解決在位移型鐵電超晶格薄膜的厚度減小到一定程度(十納米數(shù)量級(jí))后，如何保證位移型鐵電超晶格薄膜仍然具有與塊狀材料同等的鐵電性能，也就是要解決在位移型鐵電超晶格薄膜的厚度減小到一定程度(十納米數(shù)量級(jí))后，如何提高自身介電常數(shù)或剩余極化強(qiáng)度的問(wèn)題。
本方明詳細(xì)技術(shù)方案是具有應(yīng)力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料，結(jié)構(gòu)上包括基片、緩沖層、位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極，其特征是，在位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極之間還有一層應(yīng)力限制層。
由于應(yīng)力限制層的作用是將鐵電超晶格中產(chǎn)生的應(yīng)變限制在薄膜內(nèi)，所以要求應(yīng)力限制層所用的材料的晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)與位移型鐵電超晶格薄膜層材料的晶格結(jié)構(gòu)相類(lèi)似，且應(yīng)力限制層所用的材料的晶格常數(shù)應(yīng)小于位移型鐵電超晶格薄膜層材料的晶格常數(shù)，并且材料的介電損耗要低。本發(fā)明選用LaAlO3作為應(yīng)力限制層的材料，因?yàn)長(zhǎng)aAlO3晶格結(jié)構(gòu)與位移型鐵電超晶格薄膜層材料(BaTiO3、SrTiO3等)的晶格結(jié)構(gòu)相類(lèi)似，并且，LaAlO3是一種低介電常數(shù)、低介電損耗的介質(zhì)材料，還有它的介電性能隨溫度和頻率變化較小。
另外，本發(fā)明提供了一種具有應(yīng)力限制層的鐵電超晶格薄膜材料的制備方法，具體步驟如下1、對(duì)基片表面平整度和表面清潔度進(jìn)行處理；2、采用激光束外延生產(chǎn)技術(shù)，首先在基片表面沉積一層約5nm后的緩沖層；3、采用激光束外延生產(chǎn)技術(shù)在緩沖層上制備位移型鐵電超晶格薄膜，具體是采用間歇式外延生長(zhǎng)技術(shù)交替生長(zhǎng)，即生長(zhǎng)一層薄膜后，停止激光，給表面一定熱擴(kuò)散時(shí)間，然后再生長(zhǎng)另一層薄膜，間歇時(shí)間根據(jù)材料表面原胞熱擴(kuò)散時(shí)間來(lái)確定。
4、生長(zhǎng)鐵電超晶格薄膜后，在相同的工藝下，在位移型鐵電超晶格薄膜上生長(zhǎng)一層厚度為5～6nm的應(yīng)力限制層；5、采用真空蒸發(fā)技術(shù)在應(yīng)力限制層上蒸鍍金屬電極。
與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，本發(fā)明在位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極之間增加一層應(yīng)力限制層。這樣，一方面該應(yīng)力限制層可以有效地使超晶格薄膜界面處的應(yīng)變更多的保持在超晶格薄膜內(nèi)，降低其釋放量，較大的應(yīng)變使超晶格薄膜的自發(fā)極化強(qiáng)度增大，從而增強(qiáng)了超晶格薄膜的鐵電性能；另一方面應(yīng)力限制層也抑制了金屬電極中的金屬原子向超晶格薄膜中的擴(kuò)散，減小了超晶格薄膜的介質(zhì)損耗。因而獲得了剩余極化強(qiáng)度大、損耗小的鐵電超晶格薄膜材料。
本發(fā)明在位移型鐵電超晶格和上電極之間增加應(yīng)力限制層，并采用介電損耗小、隨溫度和頻率變化小的LaAlO3作為該層材料，采用RADIANT Precision LC 2000鐵電測(cè)試系統(tǒng)和TH2816型寬頻LCR數(shù)字電橋，對(duì)鐵電超晶格薄膜的介電和鐵電性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入應(yīng)力限制層之后大大減小了薄膜的介電損耗，其損耗比同樣厚度、同樣工藝生長(zhǎng)的BaTiO3/SrTiO3超晶格以及單層鐵電薄膜BaTiO3都小一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且鐵電超晶格薄膜的剩余極化強(qiáng)度增加近四十倍，其電滯回線見(jiàn)附圖2。


圖1為具有應(yīng)力限制層的鐵電超晶格薄膜材料的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-基片，2-緩沖層，3-鐵電超晶格薄膜，4-應(yīng)力限制層，5-金屬電極。
圖2為應(yīng)力限制層對(duì)超晶格薄膜鐵電性能的影響，其中曲線a為有應(yīng)力限制層的鐵電超晶格薄膜的電滯回線，曲線b為沒(méi)有應(yīng)力限制層的鐵電超晶格薄膜的電滯回線。
具體實(shí)施例方式
具有應(yīng)力限制層的鐵電超晶格薄膜材料，基片為摻Nb的、導(dǎo)電的(100)SrTiO3；緩沖層材料為L(zhǎng)aAlO3，厚度約為5nm；鐵電超晶格薄膜采用BaTiO3制作；應(yīng)力限制層采用LaAlO3材料制作，厚度約為5nm；金屬電極直徑為0.3mm。
具體制備步驟為
1、對(duì)基片金星表面平整度處理，處理好后的基片表面均方根粗糙度最好小于5nm；2、將基片按照通常的清洗工藝進(jìn)行清洗；3、采用激光束外延生長(zhǎng)技術(shù)，依次在基片上生長(zhǎng)LaAlO3緩沖層、BaTiO3鐵電超晶格薄膜和LaAlO3應(yīng)力限制層；需要說(shuō)明的是，對(duì)鐵電超晶格薄膜的制備采用間歇式外延生長(zhǎng)技術(shù)交替生長(zhǎng)，即生長(zhǎng)一層薄膜后，停止激光，給表面一熱擴(kuò)散時(shí)間，然后再生長(zhǎng)另一層薄膜，間歇時(shí)間根據(jù)材料表面原胞熱擴(kuò)散時(shí)間來(lái)確定；所用工藝條件可以是采用ArF準(zhǔn)分子激光器(248nm)作為光源，激光功率密度為1J/cm2，頻率為2Hz，所用的靶材為L(zhǎng)aAlO3單晶和BaTiO3多晶靶，靶基距為55mm，背景真空高于10-5Pa，薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中，基片溫度保持在650℃；在整個(gè)薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中，用反射高能電子衍射(RHEED)進(jìn)行原位實(shí)時(shí)監(jiān)控；4、采用真空蒸發(fā)技術(shù)在應(yīng)力限制層上蒸鍍金屬電極；
權(quán)利要求
1.具有應(yīng)力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料，結(jié)構(gòu)上包括基片、緩沖層、位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極，其特征是，在位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極之間還有一層應(yīng)力限制層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有應(yīng)力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料，其特征是應(yīng)力限制層所用材料在晶格結(jié)構(gòu)上與位移型鐵電超晶格薄膜的晶格結(jié)構(gòu)相類(lèi)似，其晶格常數(shù)小于位移型鐵電超晶格薄膜的晶格常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有應(yīng)力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料，其特征是應(yīng)力限制層所用材料為L(zhǎng)aAlO3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的具有應(yīng)力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料，其特征是應(yīng)力限制層厚度為5-6nm。
5.具有應(yīng)力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料的制備方法，其特征是采用如下步驟1)、對(duì)基片表面平整度和表面清潔度進(jìn)行處理；2)、采用激光束外延生產(chǎn)技術(shù)，在基片表面沉積一層約5nm厚的緩沖層；3)、采用激光束外延生產(chǎn)技術(shù)在緩沖層上制備位移型鐵電超晶格薄膜，具體是采用間歇式外延生長(zhǎng)技術(shù)交替生長(zhǎng)，即生長(zhǎng)一層薄膜后，停止激光，給表面一定熱擴(kuò)散時(shí)間，然后再生長(zhǎng)另一層薄膜，間歇時(shí)間根據(jù)材料表面原胞熱擴(kuò)散時(shí)間來(lái)確定；4)、生長(zhǎng)鐵電超晶格薄膜后，在相同的工藝下，在位移型鐵電超晶格薄膜上生長(zhǎng)一層厚度為5～6nm的應(yīng)力限制層；5)、采用真空蒸發(fā)技術(shù)在應(yīng)力限制層上蒸鍍金屬電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有應(yīng)力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料的制備方法，其特征是，處理好后的基片表面均方根粗糙度最好小于5nm；激光束外延生長(zhǎng)技術(shù)所用工藝條件可以是采用ArF準(zhǔn)分子激光器(248nm)作為光源，激光功率密度為1J/cm2，頻率為2Hz，所用的靶材為L(zhǎng)aAlO3單晶和BaTiO3多晶靶，靶基距為55mm，背景真空高于10-5Pa，薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中，基片溫度保持在650℃；在整個(gè)薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中，用反射高能電子衍射(RHEED)進(jìn)行原位實(shí)時(shí)監(jiān)控。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種具有應(yīng)力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料及其制備方法，該種材料結(jié)構(gòu)上包括基片、緩沖層、位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，該種材料在位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極之間還有一層應(yīng)力限制層，應(yīng)力限制層選用與位移型鐵電超晶格薄膜具有類(lèi)似晶格結(jié)構(gòu)的、單晶格常數(shù)小于位移型鐵電超晶格薄膜晶格常數(shù)的材料來(lái)制作。加入應(yīng)力限制層之后的位移型鐵電超晶格薄膜材料大大減小了位移型鐵電超晶格薄膜的介電損耗，其損耗比同樣厚度、同樣工藝生長(zhǎng)的BaTiO
文檔編號(hào)C23C14/04GK1831184SQ20051002047
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2005年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月8日
發(fā)明者李燕, 鄧宏, 姜斌, 郝蘭眾, 張鷹 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)