CN100398690C - 具有应力限制层的位移型铁电超晶格薄膜材料及其制备方法 - Google Patents

具有应力限制层的位移型铁电超晶格薄膜材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种具有应力限制层的位移型铁电超晶格薄膜材料及其制备方法，该种材料结构上包括基片、缓冲层、位移型铁电超晶格薄膜和金属电极，与现有技术不同的是，该种材料在位移型铁电超晶格薄膜和金属电极之间还有一层应力限制层，应力限制层选用与位移型铁电超晶格薄膜具有类似晶格结构的、单晶格常数小于位移型铁电超晶格薄膜晶格常数的材料来制作。加入应力限制层之后的位移型铁电超晶格薄膜材料大大减小了位移型铁电超晶格薄膜的介电损耗，其损耗比同样厚度、同样工艺生长的BaTiO3/SrTiO3超晶格以及单层铁电薄膜BaTiO3都小一个数量级，并且铁电超晶格薄膜的剩余极化强度增加近四十倍。本发明所采用的制备方法主要是利用激光束外延生长技术依次生长缓冲层、位移型铁电超晶格薄膜和应力限制层，利用真空蒸发技术蒸镀金属电极。具体实施方式中，本发明选用的应力限制层材料为LaAlO3。

Description

具有应力限制层的位移型铁电超晶格薄膜材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及位移型铁电超晶格薄膜的低维电子信息材料技术领域。
背景技术
一种材料具有铁电特性的必要条件是它的结构必须是非中心对称的，即具有唯一的一个自发极化轴。如BaTiO3在温度为120℃以上时，属于对称的立方相，此时它不具有铁电性，但当温度降到120℃以下时，BaTiO3属于非中心对称的四方相结构，为典型的铁电材料。
铁电材料按相转变的微观机构可分为位移型转变的铁电材料和有序一无序型转变的铁电材料两类。位移型铁电材料的相变机理是材料中同一类离子的亚点阵相对于另一类离子的亚点阵的整体位移，其代表性材料为BaTiO3、LiNbO3和PbTiO3等含氧八面体结构的双氧化物。位移型铁电材料是目前应用最多的一类铁电材料。本发明的技术方案主要就是针对位移型铁电材料而制定的。
目前块状的铁电晶体研究得已比较成熟，并且已广泛应用于传感器、声表面波器件、铁电存储器、二次谐波发生器等领域。但随着微电子技术的发展，对器件的要求越来越小，存储密度越来越高，所以近十多年来，铁电薄膜得到迅速发展，以便能与集成半导体技术相结合，使其在微波单片集成电路、光波导、微电子机械系统等领域得到广泛应用。
可是许多材料当尺寸或薄膜厚度减小后，其性能下降或消失。比如，一般情况下，铁电薄膜的厚度降低到一定程度时，其介电常数或剩余极化强度迅速降低，这就极大地限制了它们的应用。为了使铁电薄膜材料做成的器件适应微电子技术发展的要求，即要求铁电薄膜材料的厚度在减小到一定的程度(通常为十纳米数量级的范围)内同时又要保证材料有足够的铁电性能，这是现有技术中尚未解决的技术问题之一。
由于无对称中心的存在是结构上保证材料具有铁电性的必要条件，所以提高其铁电性能的方法之一是增加结构的非对称性，通常采取的方法是增加材料应变来增大材料结构的非对称。低维结构的铁电超晶格薄膜就是利用构成超晶格的两种材料的晶格失配，产生应变，使薄膜在超薄的条件下，仍然呈现出通常块材才具有、而一般铁电薄膜不具备的电学性能，如非常高的介电常数或较高的剩余极化强度等。因此，铁电超晶格的研究已经开始受到越来越多的关注，已成为目前材料技术领域研究的热点之一。
但是，采用铁电超晶格薄膜技术只能在一定程度上提高铁电薄膜的铁电性能，尚不能保证其在工业生产中能够应用；况且，由于各种铁电材料在相同条件下，所呈现的性能差别很大，如介电常数、剩余极化强度、以及存贮电荷密度等，所以不同组分材料的铁电超晶格薄膜在性能上也存在着很大的差异。目前，研究较多的铁电材料有BaTiO3、SrTiO3、Pb系铁电材料以及含Bi的层状铁电材料，相应的铁电超晶格的研究也主要集中在由这些材料构成的薄膜上。但是由于Pb元素易挥发、有毒，使得Pb系铁电超晶格一方面在应用上受到限制，另一方面生长超晶格时显得十分困难，而BaTiO3/SrTiO3超晶格的损耗一直比较大。因此如何降低损耗，提高极化强度，对低维的铁电超晶格实用化具有重要的意义。
发明内容
如前所述，本发明所要解决的技术问题就是要解决在位移型铁电超晶格薄膜的厚度减小到一定程度(十纳米数量级)后，如何保证位移型铁电超晶格薄膜仍然具有与块状材料同等的铁电性能，也就是要解决在位移型铁电超晶格薄膜的厚度减小到一定程度(十纳米数量级)后，如何提高自身介电常数或剩余极化强度的问题。
本方明详细技术方案是：具有应力限制层的位移型铁电超晶格薄膜材料，结构上包括基片、缓冲层、位移型铁电超晶格薄膜和金属电极，其特征是，在位移型铁电超晶格薄膜和金属电极之间还有一层应力限制层。
由于应力限制层的作用是将铁电超晶格中产生的应变限制在薄膜内，所以要求应力限制层所用的材料的晶格结构应与位移型铁电超晶格薄膜层材料的晶格结构相类似，且应力限制层所用的材料的晶格常数应小于位移型铁电超晶格薄膜层材料的晶格常数，并且材料的介电损耗要低。本发明选用LaAlO3作为应力限制层的材料，因为LaAlO3晶格结构与位移型铁电超晶格薄膜层材料(BaTiO3、SrTiO3等)的晶格结构相类似，并且，LaAlO3是一种低介电常数、低介电损耗的介质材料，还有它的介电性能随温度和频率变化较小。
另外，本发明提供了一种具有应力限制层的铁电超晶格薄膜材料的制备方法，具体步骤如下：
1、对基片表面平整度和表面清洁度进行处理；
2、采用激光束外延生产技术，首先在基片表面沉积一层约5nm后的缓冲层；
3、采用激光束外延生产技术在缓冲层上制备位移型铁电超晶格薄膜，具体是采用间歇式外延生长技术交替生长，即生长一层薄膜后，停止激光，给表面一定热扩散时间，然后再生长另一层薄膜，间歇时间根据材料表面原胞热扩散时间来确定。
4、生长铁电超晶格薄膜后，在相同的工艺下，在位移型铁电超晶格薄膜上生长一层厚度为5～6nm的应力限制层；
5、采用真空蒸发技术在应力限制层上蒸镀金属电极。
与现有技术不同的是，本发明在位移型铁电超晶格薄膜和金属电极之间增加一层应力限制层。这样，一方面该应力限制层可以有效地使超晶格薄膜界面处的应变更多的保持在超晶格薄膜内，降低其释放量，较大的应变使超晶格薄膜的自发极化强度增大，从而增强了超晶格薄膜的铁电性能；另一方面应力限制层也抑制了金属电极中的金属原子向超晶格薄膜中的扩散，减小了超晶格薄膜的介质损耗。因而获得了剩余极化强度大、损耗小的铁电超晶格薄膜材料。
本发明在位移型铁电超晶格和上电极之间增加应力限制层，并采用介电损耗小、随温度和频率变化小的LaAlO3作为该层材料，采用RADIANT Precision LC 2000铁电测试系统和TH2816型宽频LCR数字电桥，对铁电超晶格薄膜的介电和铁电性能进行测试，结果发现加入应力限制层之后大大减小了薄膜的介电损耗，其损耗比同样厚度、同样工艺生长的BaTiO3/SrTiO3超晶格以及单层铁电薄膜BaTiO3都小一个数量级，并且铁电超晶格薄膜的剩余极化强度增加近四十倍，其电滞回线见附图2。
附图说明
图1为具有应力限制层的铁电超晶格薄膜材料的结构示意图，其中：1-基片，2-缓冲层，3-铁电超晶格薄膜，4-应力限制层，5-金属电极。
图2为应力限制层对超晶格薄膜铁电性能的影响，其中曲线a为有应力限制层的铁电超晶格薄膜的电滞回线，曲线b为没有应力限制层的铁电超晶格薄膜的电滞回线。
具体实施方式
具有应力限制层的铁电超晶格薄膜材料，基片为掺Nb的、导电的(100)SrTiO3；缓冲层材料为LaAlO3，厚度约为5nm；铁电超晶格薄膜采用BaTiO3制作；应力限制层采用LaAlO3材料制作，厚度约为5nm；金属电极直径为0.3mm。
具体制备步骤为：
1、对基片金星表面平整度处理，处理好后的基片表面均方根粗糙度最好小于5nm；
2、将基片按照通常的清洗工艺进行清洗；
3、采用激光束外延生长技术，依次在基片上生长LaAlO3缓冲层、BaTiO3铁电超晶格薄膜和LaAlO3应力限制层；
需要说明的是，对铁电超晶格薄膜的制备采用间歇式外延生长技术交替生长，即生长一层薄膜后，停止激光，给表面一热扩散时间，然后再生长另一层薄膜，间歇时间根据材料表面原胞热扩散时间来确定；
所用工艺条件可以是：采用ArF准分子激光器(248nm)作为光源，激光功率密度为1J/cm2，频率为2Hz，所用的靶材为LaAlO3单晶和BaTiO3多晶靶，靶基距为55mm，背景真空高于10-5Pa，薄膜生长过程中，基片温度保持在650℃；
在整个薄膜的生长过程中，用反射高能电子衍射(RHEED)进行原位实时监控；
4、采用真空蒸发技术在应力限制层上蒸镀金属电极

Claims (4)

1.具有应力限制层的位移型铁电超晶格薄膜材料，结构上包括基片、缓冲层、位移型铁电超晶格薄膜和金属电极，其特征是，在位移型铁电超晶格薄膜和金属电极之间还有一层应力限制层，所述应力限制层所用材料为LaAlO3，其晶格结构与位移型铁电超晶格薄膜的晶格结构相类似，其晶格常数小于位移型铁电超晶格薄膜的晶格常数。
2.根据权利要求1、2或3所述的具有应力限制层的位移型铁电超晶格薄膜材料，其特征是应力限制层厚度为5-6nm。
3.具有应力限制层的位移型铁电超晶格薄膜材料的制备方法，其特征是采用如下步骤：
1)、对基片表面平整度和表面清洁度进行处理；
2)、采用激光束外延生产技术，在基片表面沉积一层约5nm厚的缓冲层；
3)、采用激光束外延生产技术在缓冲层上制备位移型铁电超晶格薄膜，具体是采用间歇式外延生长技术交替生长，即生长一层薄膜后，停止激光，给表面一定热扩散时间，然后再生长另一层薄膜，间歇时间根据材料表面原胞热扩散时间来确定；
4)、生长铁电超晶格薄膜后，在相同的工艺下，在位移型铁电超晶格薄膜上生长一层厚度为5～6nm的LaAlO3应力限制层；
5)、采用真空蒸发技术在应力限制层上蒸镀金属电极。
4.根据权利要求5所述的具有应力限制层的位移型铁电超晶格薄膜材料的制备方法，其特征是，处理好后的基片表面均方根粗糙度小于5nm；激光束外延生长技术所用工艺条件是：采用248nm的ArF准分子激光器作为光源，激光功率密度为1J/cm2，频率为2Hz，所用的靶材为LaAlO3单晶和BaTiO3多晶靶，靶基距为55mm，背景真空高于10-5Pa，薄膜生长过程中，基片温度保持在650℃；在整个薄膜的生长过程中，用反射高能电子衍射RHEED进行原位实时监控。
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