CN103839928B - 一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法,包括基体、底电极、铁酸铋介电层、顶电极,用晶格常数与铁酸铋接近的单晶氧化物半导体基片作为基体,底电极为导电氧化物薄膜,顶电极为金属薄膜点电极;在基体上采用同轴溅射的方法沉积底电极,再在底电极上采用离轴溅射的方法沉积铁酸铋介电层,最后在铁酸铋介电层上沉积顶电极制成。本发明制备的BiFeO3薄膜为菱方相且高度取向,室温下具有矩形度很好的电滞回线,极化强度高,自发极化强度可高达100-110μc/cm2,耐压性好,最高承受电压可达50v。

Description

一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁电薄膜材料及其制备,具体涉及一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法。
背景技术
铁酸铋(BiFeO3)是一种在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的多铁性材料,而且在理论上,其薄膜的剩余极化可为现在广泛使用的含铅材料的2-3倍,因此铁酸铋材料在存储器、高电容和大电感一体化的电子元器件、自旋电子器件方面有着较为广阔的应用前景,其研究日益受到了人们的关注。
铁酸铋是迄今为止发现的唯一一个铁电居里温度(Tc=1143K)和磁有序温度(Tn=643K)均在室温以上的多铁性材料。铁酸铋薄膜的制备主要有溶胶-凝胶、脉冲激光沉积、分子束外延、化学气相沉积和磁控溅射等方法。分子束外延法生长的薄膜速率缓慢,不适应大量生产,生长系统需要超高真空,而且设备维护费用高,限制了其工业应用;脉冲激光沉积虽然说设备使用方便,但是在成膜面积、均匀性和表面清洁度尚有许多缺点,削弱了其工业应用。磁控溅射沉积具有速率快,溅射出的薄膜纯度高、致密性和均一性好,工艺重复性高,对靶材的要求低,工业应用成本低等优点。离轴磁控溅射更是克服了传统磁控溅射粒子反刻蚀的缺点,改善了外延薄膜的质量,大大提高了磁控溅射的应用潜能。但是铁酸铋薄膜的制备却存在着很多问题,例如由于在制备过程中容易产生氧空位以及Fe3+离子变价等问题,很难制的纯相的、漏电小的薄膜。故而一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜的制备更是难上加难。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜,包括基体、底电极、铁酸铋介电层、顶电极,用晶格常数与铁酸铋接近的单晶氧化物半导体基片作为基体,底电极为导电氧化物薄膜,顶电极为金属薄膜点电极;所述的导电氧化物薄膜采用钙钛矿ABO3结构的导电陶瓷材料钌酸锶、镍酸镧、钴酸镧锶或锰酸镧锶;金属薄膜点电极的材料为金或铂。
所述的底电极厚度为50~400nm;铁酸铋介电层厚度为200nm~1μm;顶电极直径20~500μm。
所述的高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜为在基体上采用同轴溅射的方法沉积底电极,再在底电极上采用离轴溅射的方法沉积铁酸铋介电层,最后在铁酸铋介电层上沉积顶电极制成。
一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜的制备方法,包括步骤如下:
(1)基体处理:
选用氧化物半导体基片作为基体,对基体进行预处理;
(2)在基体上采用同轴溅射的方法沉积底电极:
采用导电氧化物靶材,以射频或直流磁控溅射的方式在预处理后的基体上沉积底电极层,采用的溅射方法为同轴溅射,沉积时气氛为Ar和O2的混合气体,Ar气流量控制在30~110sccm,O2流量控制在5~30sccm,气压控制在0.8~3Pa,靶功率密度为3.3~8.7W/cm2
(3)在底电极上采用离轴溅射的方法沉积铁酸铋介电层:
采用陶瓷BiFeO3靶,以射频磁控溅射的方式在底电极上沉积BiFeO3层,采用的溅射方法为离轴溅射,溅射气氛为Ar和O2的混合气体,Ar气流量控制在30~110sccm,O2流量控制在5~30sccm,BiFeO3靶的功率密度为3.3~8.7W/cm2
(4)在铁酸铋介电层上沉积顶电极:
采用金属靶,以射频或直流磁控溅射方式沉积,溅射气氛为空气,靶功率密度为2~5W/cm2
上述方法中步骤(1)所述的氧化物半导体基片为晶格常数与铁酸铋接近的单晶氧化物半导体基片,如LaNiO3、SrRuO3、LaSrCoO3等。所述的预处理为先用丙酮和酒精对基体进行超声清洗,去除表面上的油性杂质,再用去离子水对其进行最后的清洗,吹干,最后将其放至真空镀膜腔室中,加热到500~750℃。
上述步骤(2)中所述的导电氧化物靶材为采用钙钛矿ABO3结构的导电陶瓷材料钌酸锶、镍酸镧、钴酸镧锶或锰酸镧锶。
步骤(4)所述的金属靶金或铂。
上述底电极厚度为50~400nm;铁酸铋介电层厚度为200nm~1μm;顶电极直径20~500μm。
本发明的主要创新点是沉积BiFeO3层,使用的是离轴溅射。离轴溅射制备的薄膜具有较好的致密度和表面均匀性,再结合此实验中所取合适的参数值,就获得了高耐压、低漏电、高极化强度的铁酸铋薄膜。
本发明的有益效果为:
(1)本发明制备的BiFeO3薄膜为菱方相且高度取向,室温下具有矩形度很好的电滞回线,极化强度高,自发极化强度可高达100-110μc/cm2,耐压性好,最高承受电压可达50v。
(2)BiFeO3是一种绿色环保的无铅铁电陶瓷材料。
(3)采用磁控溅射法制备的BiFeO3薄膜具有致密性好、和基片粘附力强、平整度高、利于工业化推广等优点。
(4)钙钛矿结构的导电氧化物底电极,作为薄膜与基片之间的缓冲层,能够优化薄膜的取向和电学性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中所制备BiFeO3薄膜体系的结构示意图。
图2为本发明实施例1中所用制备方法的(a)原理示意图,(b)同轴溅射方法示意图,(c)离
轴溅射方法示意图。
图3为本发明实施例1中所制备BiFeO3薄膜的XRD图。
图4为本发明实施例1中所制备BiFeO3薄膜的电滞回线。
其中1-基体、2-底电极、3-BiFeO3薄膜、4-顶电极。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明。
实施例1
一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜的制备方法,包括步骤如下:
(a)基体的处理
清洗和安装:采用(111)取向的LaAlO3单晶衬底,将该衬底依次用丙酮、无水乙醇超声清洗,再用去离子水冲洗后,高纯氮气吹干,固定在样品托盘上,将样品托盘装入真空镀膜腔室的样品托盘架上,关闭真空腔室,将系统用机械泵抽气实现低真空~10-1Pa,再由分子泵抽真空至~10-4Pa。
加热:向系统内通入氩气,气压保持在1.2~1.4Pa,然后对衬底进行加热,使其温度达到500~600℃。
(b)导电氧化物薄膜底电极的制备
采用钙钛矿LaNiO3靶,以射频磁同轴控溅射的方式完成,溅射气氛为Ar和O2,Ar气流量为32sccm,O2流量为8sccm,靶功率密度为3~4W/cm2,溅射气压为1.4Pa。LaNiO3底电极层厚度为100nm。
(c)铁酸铋薄膜的制备。
采用BixFeO3靶,其中x=1~1.5,以射频磁控离轴溅射的方式完成。溅射气氛为Ar和O2,Ar气流量为32sccm,O2流量控制在8sccm,靶功率密度为3~4W/cm2,溅射气压为1.4Pa。BiFeO3底电极层厚度控制在450~500nm。
(d)顶电极的制备
采用金箔靶,以掩模板溅射的方式完成。即将刻有电极形状的掩模板盖在薄膜上方,溅射仪直接溅射,溅射气氛为空气,靶功率密度为4W/cm2。顶电极的直径控制在200μm。
本实施方式制备得到的BiFeO3薄膜,经XRD测试分析含有杂相,最高承受电压也只能达到30v。
实施例2
本实施例与实施例1的不同步骤是步骤(a)中使用的是(111)取向的SrTiO3单晶基底。其它步骤及参数与实施例1相同。本实施例中所得BiFeO3薄膜的XRD测试结果如图3所示,BiFeO3薄膜呈菱方相(111)择优取向,经性能测试,所得薄膜的铁电性能显著提高,耐压性明显的提高,电滞回线如图4所示。
实施例3
一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜的制备方法,包括步骤如下:
(a)基体的处理
清洗和安装:采用(111)取向的LaAlO3单晶衬底,将该衬底依次用丙酮、无水乙醇超声清洗,再用去离子水冲洗后,高纯氮气吹干,固定在样品托盘上,将样品托盘装入真空镀膜腔室的样品托盘架上,关闭真空腔室,将系统用机械泵抽气实现低真空~10-1Pa,再由分子泵抽真空至~10-4Pa。
加热:向系统内通入氩气,气压保持在2Pa,然后对衬底进行加热,使其温度达到600~700℃。
(b)导电氧化物薄膜底电极的制备
采用钙钛矿LaNiO3靶,以射频磁同轴控溅射的方式完成,溅射气氛为Ar和O2,Ar气流量控制在40sccm,O2流量控制在10sccm,靶功率密度为4~5W/cm2,溅射气压为1.6Pa。LaNiO3底电极层厚度控制在100nm。
(c)铁酸铋薄膜的制备。
采用非化学配比的BixFeO3靶,其中x=1.~1.5,以射频磁控离轴溅射的方式完成。溅射气氛为Ar和O2,Ar气流量控制在40sccm,O2流量控制在10sccm,靶功率密度为4~5W/cm2,溅射气压为1.6Pa。BiFeO3底电极层厚度控制在450~500nm。
(d)顶电极的制备
采用金箔靶,以掩模板溅射的方式完成。即将刻有电极形状的掩模板盖在薄膜上方,溅射仪直接溅射,溅射气氛为空气,靶功率密度为4W/cm2。顶电极的直径控制在200μm。

Claims (9)

1.一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜的制备方法,其特征是,包括步骤如下:
(1)基体处理:选用氧化物半导体基片作为基体,对基体进行预处理;
(2)在基体上采用同轴溅射的方法沉积底电极:采用导电氧化物靶材,以射频或直流磁控溅射的方式在预处理后的基体上沉积底电极层,采用的溅射方法为同轴溅射,沉积时气氛为Ar和O2的混合气体,Ar气流量控制在30~110sccm,O2流量控制在5~30sccm,气压控制在0.8~3Pa,靶功率密度为3.3~8.7W/cm2
(3)在底电极上采用离轴溅射的方法沉积铁酸铋介电层:采用陶瓷BiFeO3靶,以射频磁控溅射的方式在底电极上沉积BiFeO3层,采用的溅射方法为离轴溅射,溅射气氛为Ar和O2的混合气体,Ar气流量控制在30~110sccm,O2流量控制在5~30sccm,BiFeO3靶的功率密度为3.3~8.7W/cm2
(4)在铁酸铋介电层上沉积顶电极:采用金属靶,以射频或直流磁控溅射方式沉积,溅射气氛为空气,靶功率密度为2~5W/cm2
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征是,步骤(1)所述的氧化物半导体基片为晶格常数与铁酸铋接近的单晶氧化物半导体基片。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征是,步骤(1)所述的预处理为先用丙酮和酒精对基体进行超声清洗,去除表面上的油性杂质,再用去离子水对其进行最后的清洗,吹干,最后将其放至真空镀膜腔室中,加热到500~750℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征是,步骤(2)中所述的导电氧化物靶材为采用钙钛矿ABO3结构的导电陶瓷材料钌酸锶、镍酸镧、钴酸镧锶或锰酸镧锶。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征是,步骤(4)所述的金属靶金或铂。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征是,所述的底电极厚度为50~400nm;铁酸铋介电层厚度为200nm~1μm。
7.利用权利要求1-6任一所述的制备方法制备的一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜,包括基体、底电极、铁酸铋介电层、顶电极,其特征是,用晶格常数与铁酸铋接近的单晶氧化物半导体基片作为基体,底电极为导电氧化物薄膜,顶电极为金属薄膜点电极;所述的导电氧化物薄膜采用钙钛矿ABO3结构的导电陶瓷材料钌酸锶、镍酸镧、钴酸镧锶或锰酸镧锶;金属薄膜点电极的材料为金或铂。
8.根据权利要求7所述的一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜,其特征是,所述的底电极厚度为50~400nm;铁酸铋介电层厚度为200nm~1μm。
9.根据权利要求7所述的一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜,其特征是,它为在基体上采用同轴溅射的方法沉积底电极,再在底电极上采用离轴溅射的方法沉积铁酸铋介电层,最后在铁酸铋介电层上沉积顶电极制成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105296946B (zh) * 2015-10-16 2017-09-26 山东大学苏州研究院 一种具有a轴高度取向的铌酸铋钙薄膜材料体系及制备方法
FI20175553A1 (en) * 2017-06-14 2018-12-15 Spindeco Tech Oy Additional unit or cable that can be connected to a power supply or signal line for an electrical appliance
CN108117390B (zh) * 2017-12-29 2020-11-03 江西理工大学 具有交换偏置反转的稀土氧化物陶瓷材料及其制备方法
CN108911730A (zh) * 2018-07-12 2018-11-30 深圳先进技术研究院 B位掺杂铋铁氧体固溶体薄膜及其制备方法和应用
CN109166730B (zh) * 2018-08-28 2020-05-22 西安交通大学 一种宽温高储能的无铅柔性的介电薄膜电容器及其制备方法
CN110066978A (zh) * 2019-06-13 2019-07-30 西南交通大学 一种铁酸铋薄膜的制备方法及其用途
CN110349750B (zh) * 2019-07-10 2021-03-19 四川大学 一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法
CN110937925A (zh) * 2019-11-28 2020-03-31 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种高极化强度和大应变特性的铁酸铋基薄膜及其制备方法
CN111525024B (zh) * 2020-04-13 2022-04-05 欧阳俊 铁酸铋膜材料、低温在硅基底上集成制备铁酸铋膜的方法及应用
CN113046693A (zh) * 2021-03-12 2021-06-29 青岛大学 一种基于挠曲电效应的自供电型光电探测器
CN113913935B (zh) * 2021-10-26 2023-11-21 河北农业大学 一种T型BiFeO3铁电薄膜材料的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101789490A (zh) * 2010-01-28 2010-07-28 复旦大学 一种铁电氧化物/半导体复合薄膜二极管阻变存储器
CN101859779A (zh) * 2010-05-13 2010-10-13 复旦大学 一种极化调谐铁电薄膜二极管存储器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101789490A (zh) * 2010-01-28 2010-07-28 复旦大学 一种铁电氧化物/半导体复合薄膜二极管阻变存储器
CN101859779A (zh) * 2010-05-13 2010-10-13 复旦大学 一种极化调谐铁电薄膜二极管存储器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
离轴磁控溅射生长钙钛矿外延薄膜;余果,白飞明,文丹丹,张怀武;《真空科学与技术学报》;20130630;第33卷(第6期);578-585 *
离轴磁控溅射生长钙钛矿外延薄膜;余果,白飞明,文丹丹,张怀武;《真空科学与技术学报》;20130630;第33卷(第6期);583-584 *

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