CN114497345A - 具有压电薄膜的偏置结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种具有压电薄膜的偏置结构及其形成方法，所偏置结构包括：底电极；位于所述底电极表面的压电薄膜；所述底电极与所述压电薄膜之间的指标参数的差异大于等于最低阈值，所述指标参数与压电薄膜的自发极化相关。本方案提出以功函数差异为核心，综合考虑晶格失配和热失配等各项指标参数，通过采用性质不完全相同的底电极材料和顶电极材料，得到底电极‑压电薄膜‑顶电极的偏置结构设计，改变压电薄膜的电学边界条件和机械边界条件，增强压电薄膜的自发极化，从而获得性能更加优异的压电薄膜材料。
Description
技术领域
本申请涉及压电技术领域，具体涉及一种具有压电薄膜的偏置结构及其形成方法。
背景技术
压电效应自1880年被法国物理学家居里兄弟发现以来，在传感器、执行器、换能器等领域得到了广泛的应用。近年来，随着微电子技术的发展，微型化、集成化、低功耗成为发展趋势，MEMS(微机电系统)工艺成为研究热点。在压电MEMS工艺中，制备具有优异压电性能的压电薄膜是关键技术问题。
对于压电薄膜而言，自发极化是决定其压电性能的关键因素。通常来说，更强的C轴取向具有更强的自发极化，因而具有更高的压电性能。然而，压电薄膜在极化状态下，容易在表面形成相反极性的电荷，即形成退极化场，来抵消一部分自发极化，从而对性能产生不利的影响。
因此，现有的压电薄膜在实际应用中的性能还有待进一步的提高。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种具有压电薄膜的偏置结构及其形成方法，以进一步提高压电薄膜在实际应用中的性能。
本申请提供的一种具有压电薄膜的偏置结构，包括：底电极；位于所述底电极表面的压电薄膜；所述底电极与所述压电薄膜之间的指标参数的差异大于等于最低阈值，所述指标参数与压电薄膜的自发极化相关。
可选的，还包括：位于所述电压薄膜表面的顶电极，所述顶电极与所述压电薄膜之间的指标参数的差异大于等于所述最低阈值。
可选的，所述指标参数包括：功函数、晶格常数以及热膨胀系数中的至少一种。
可选的，所述差异的最低阈值大于等于压电薄膜的对应指标参数的5％；所述差异小于等于压电薄膜的对应指标参数的30％。
可选的，所述指标参数包括功函数时：所述底电极和所述压电薄膜的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜内自发极化方向相同，和/或，所述顶电极和所述压电薄膜的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜内自发极化方向相同，以增强所述压电薄膜的自发极化。
可选的，所述指标参数包括功函数时：所述底电极和所述压电薄膜的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜内自发极化方向相反，和/或，所述顶电极和所述压电薄膜的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜内自发极化方向相反，以减弱所述压电薄膜的自发极化。
可选的，所述指标参数包括晶格常数时，所述底电极和所述顶电极中至少一个电极的晶格常数小于所述压电薄膜的晶格常数，以增强所述压电薄膜的自发极化；或者，所述底电极和所述顶电极中至少一个电极的晶格常数大于所述压电薄膜的晶格常数，以减弱所述压电薄膜的自发极化。
可选的，所述指标参数包括热膨胀系数时，所述底电极和所述顶电极中至少一个电极的热膨胀系数大于所述压电薄膜的晶格常数，以增强所述压电薄膜的自发极化；或者，所述底电极和所述顶电极中至少一个电极的热膨胀系数小于所述压电薄膜的热膨胀系数，以减弱所述压电薄膜的自发极化。
可选的，还包括：位于所述底电极和所述压电薄膜之间的缓冲层；所述缓冲层的功函数位于所述底电极的功函数和压电薄膜的功函数大小之间。
可选的，所述底电极包括单层或多层堆叠结构，所述底电极的材料包括金属和导电氧化物中的至少一种；所述顶电极包括单层或多层堆叠结构，所述顶电极的材料包括金属和导电氧化物中的至少一种。
可选的，所述导电氧化物包括SrRuO3、LaNiO3、Ba0.5Sr0.5RuO3、La0.6Sr0.4MnO3以及La0.5Sr0.5CoO3中的至少一种；所述金属包括：Pt、Ti、Al、Au以及Cr中的至少一种。
可选的，所述压电薄膜材料包括单层或多层堆叠结构；和/或，所述压电薄膜材料包括AlN、ZnO、PbZrxTi1-xO3、BaTiO3、KxNa1-xNbO3、PbTiO3、BiFeO3、PMN-PT中的至少一种。
可选的，所述底电极的厚度范围为10nm～500nm；和/或，所述顶电极的厚度范围为10nm～500nm；和/或，所述压电薄膜的厚度范围为0.2μm～3μm。
本申请还提供一种具有压电薄膜的偏置结构的形成方法，包括：提供底电极；在所述底电极表面形成压电薄膜；所述底电极与所述压电薄膜之间的指标参数的差异大于等于最低阈值，所述指标参数与所述压电薄膜的自发极化相关。
可选的，还包括：在所述压电薄膜表面形成顶电极；所述顶电极与所述压电薄膜之间的指标参数的差异大于等于最低阈值。
可选的，所述差异小于等于压电薄膜的对应指标参数的30％；所述最低阈值大于等于压电薄膜的对应指标参数的5％。
可选的，分别采用不同的材料以形成所述底电极和所述顶电极；或者，采用相同材料形成所述底电极和所述顶电极后，对所述顶电极和所述底电极分别进行掺杂，以调整各电极的指标参数。
本申请偏置结构采用不对称的电极结构设计，利用电极材料和压电薄膜之间的指标参数差异，增强(或削弱)压电薄膜的自发极化，进而增强(或削弱)压电薄膜的压电性能。
进一步的，采用不对称的电极结构设计，在两者的界面附近形成电场，利用电极材料和压电薄膜之间的晶格常数差异或热膨胀系数差异，在两者的界面附近形成应力场，增强(或削弱)压电薄膜的自发极化，进而增强(或削弱)压电薄膜的压电性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例的具有压电薄膜的偏置结构的结构示意图；
图2是本申请一实施例的电场增强的示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，现有技术的压电薄膜在应用中的性能还有待进一步提高。由于压电薄膜在自发极化状态下，容易在表面形成相反极性的电荷，即形成退极化场，来抵消一部分自发极化，从而对性能产生不利的影响。因此，如何削弱甚至抵消退极化场是提高压电薄膜性能的一个重要的途径。
由于在薄膜内部存在压应力时，有利于形成更强的c轴取向。现有技术中，往往是从压电薄膜的材料本身出发，来提高压电薄膜的性能。例如，在压电薄膜制备过程中，基于晶格失配(晶格常数的差异)和热失配(热膨胀系数的差异)，可以通过工艺调控使薄膜内部存在一定的压应力，改变压电薄膜的机械边界条件，从而实现压电薄膜性能的优化。而这种从压电薄膜的材料的改进，效果有限，且对于薄膜材料的制备工艺要求较多。
为了实现电学互连和测试，压电薄膜制备前通常会在基底上先制备底电极，在制备完压电薄膜后，再在其表面制备顶电极。由于底电极与顶电极是与压电薄膜直接接触并产生界面耦合的材料，会影响压电薄膜的生长及其性能。现有技术在设计电极时，通常以晶格失配或热失配或导电性等为主要考虑因素，尽可能减少晶格失配以及热失配小，使得电极与压电薄膜之间晶格常数接近、热膨胀系数接近，以提高压电薄膜的质量，并不会考虑到上下电极功函数对压电薄膜自发极化的影响，忽视了功函数差异所导致的内建电场，更不会考虑到晶格失配、热失配对于压电薄膜自发极化的影响，没有最大程度上发挥出压电薄膜最强的自发极化，甚至造成自发极化的削弱，从而难以获得最优的压电性能。
基于上述分析，目前对于电极材料体系的选择仍缺乏一个完善合理的评价标准，不能充分的发挥压电薄膜本征的优异性能。发明人创造性的提出通过优化选择底电极和顶电极材料体系来提高压电薄膜的性能，以功函数差异为核心，综合考虑晶格失配和热失配，通过采用性质不完全相同的底电极材料和顶电极材料，得到底电极-压电薄膜-顶电极的偏置结构设计，改变压电薄膜的电学边界条件和机械边界条件，增强压电薄膜的自发极化，从而获得性能更加优异的压电薄膜材料。
下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
请参考图1，为本发明一实施例的具有压电薄膜的偏置结构的结构示意图。
所述偏置结构包括：底电极101和压电薄膜102。所述压电薄膜位于所述底电极表面，所述底电极101与所述压电薄膜102之间的指标参数的差异大于等于最低阈值，所述指标参数与压电薄膜的自发极化相关。
所述底电极101形成于所述基底100上。基底100的选择包括但不局限于硅、氧化硅、不锈钢、钛酸锶、云母等，基底的取向不唯一。当基底100具有晶格取向时，可以选择包括(100)及以外的各种取向。在形成所述底电极之前，可以先对所述基底100表面进行清洗，例如采用等离子清洗、超声结合烘烤等方式进行所述清洗。基底100的大小不限，包括实验级小样品(如1mm*1mm、10mm*10mm等)和晶圆级大样品(如3英寸、8英寸、12英寸等)。
该实施例中，所述偏置结构还包括位于所述电压薄膜102表面的顶电极103，所述顶电极103与所述压电薄膜102之间的指标参数的差异大于等于最低阈值。在一些实施例中，由于器件结构的特殊要求，也可以没有所述顶电极103。
研究发现，压电薄膜内部存在压应力时，有利于形成更强的c轴取向。因此，在压电薄膜制备过程中，基于晶格失配(晶格常数的差异)和热失配(热膨胀系数的差异)，可以通过工艺调控使薄膜内部存在一定的压应力，改变压电薄膜的机械边界条件，从而实现压电薄膜性能的优化。
此外，压电薄膜在自发极化状态下，容易在表面形成相反极性的电荷，即形成退极化场，来抵消一部分自发极化，从而对性能产生不利的影响。对于金属或半导体，功函数代表处于费米能级的电子跃迁到真空中所需要的最小能量。功函数的差异会导致两种材料在界面处产生电子的跃迁，从而形成内建电场，改变压电薄膜的电学边界条件。当内建电场方向与退极化场相反(即与自发极化方向相同)时，可以一定程度上削弱甚至抵消退极化场，起到增强自发极化，提升压电性能的作用。
在一些实施例中，所述指标参数包括：功函数、晶格常数以及热膨胀系数中的至少一种。
所述指标参数可以包括功函数，电极材料和压电薄膜之间的功函数差异可以在界面处形成电场。
在一些实施例中，所述底电极101和所述压电薄膜102的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜102内自发极化方向相同，和/或，所述顶电极103和所述压电薄膜102的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜102内自发极化方向相同，以增强所述压电薄膜102的自发极化。
具体来说，在默认压电薄膜102自发极化朝上(即朝向远离底电极101的方向)的情况下，当底电极101的功函数小于压电薄膜102的功函数时，底电极101对电子的吸引力小于压电薄膜102对电子的吸引力，因此底电极101中的电子倾向于跃迁至压电薄膜102中，造成压电薄膜102中靠近界面处的电子富集，而底电极101中由于失去电子形成空穴富集，在底电极101和压电薄膜102之间形成一个正向(即从底电极101指向压电薄膜102)的电场。该电场可以与自发极化方向相同，可以增强压电薄膜102的自发极化，从而压电薄膜102得到提升。同理，当顶电极103功函数大于压电薄膜102时，形成一个反向(即从压电薄膜102指向顶电极103)电场，该电场与自发极化方向相同，可以增强压电薄膜102的自发极化，从而压电薄膜102的性能得到提升。
请参考图2，为电场增强极化示意图，其中E表示电极材料与PZT薄膜之间形成的电场；图中所示情况下，电场方向与极化方向相同，可以起到抵消退极化场和增强极化的作用，进而可以实现压电性能的增强。
反之亦然，可以通过底电极101和/或顶电极103的材料选择实现压电薄膜102性能的削弱。在一些实施例中，所述底电极101和所述压电薄膜102的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜102内自发极化方向相反，和/或，所述顶电极103和所述压电薄膜102的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜102内自发极化方向相反，以减弱所述压电薄膜102的自发极化。
所述指标参数可以包括晶格常数，当以晶格常数作为指标参数时，电极材料和压电薄膜之间的晶格失配可以在界面处形成机械应力场。
在一些实施例中，所述底电极101和所述顶电极103中至少一个电极的晶格常数小于所述压电薄膜102的晶格常数，以增强所述压电薄膜102的自发极化。具体来说，在默认压电薄膜102自发极化朝上的情况下，当底电极和/或顶电极材料晶格常数小于压电薄膜102的晶格常数时，界面处因晶格失配，压电薄膜102受到压应力(电极材料受到拉应力)，使其更易形成c轴取向，从而可增强其自发极化形成，进而提升其压电性能。
反之亦然，当电极材料晶格常数大于压电薄膜102的晶格常数时，界面处产生拉应力，会削弱压电性能。在一些实施例中，所述底电极101和所述顶电极103中至少一个电极的晶格常数大于所述压电薄膜102的晶格常数，以减弱所述压电薄膜102的自发极化。
所述指标参数包括热膨胀系数，电极材料和压电薄膜之间的热失配可以在界面处形成机械应力场。在一些实施例中，所述底电极101和所述顶电极103中至少一个电极的热膨胀系数大于所述压电薄膜102的晶格常数，以增强所述压电薄膜的自发极化。具体来说，在默认压电薄膜自发极化朝上的情况下，当底电极101和顶电极103材料热膨胀系数大于压电薄膜102热膨胀系数时，在降温过程中，电极材料的晶格变小的程度更大，因此压电薄膜102受到压应力(电极材料受到拉应力)，使其更易形成c轴取向，从而可增强其自发极化形成，进而提升其压电性能。
反之亦然，当电极材料热膨胀系数小于压电薄膜热膨胀系数时，界面处产生拉应力，会削弱压电性能。在一些实施例中，所述底电极101和所述顶电极103中至少一个电极的热膨胀系数小于所述压电薄膜102的热膨胀系数，以减弱所述压电薄膜102的自发极化。
所述底电极101、顶电极103和所述压电薄膜102之间的指标参数差异需要在合适的范围内。若所述差异过小，无法对压电薄膜102的自发极化产生影响。为了起到足够的效果，在一些实施例中，所述差异的最低阈值大于等于压电薄膜的对应指标参数的5％。若差异过大，则会导致压电薄膜102的薄膜质量较差，影响整体效果。在一些实施例中，所述差异小于等于压电薄膜102的对应指标参数的30％。
基于上述指标参数的差异要求，合理设置所述底电极101、压电薄膜102和顶电极103的材料。
在一些实施例中，所述底电极101包括单层或多层堆叠结构，所述底电极101的材料包括金属和导电氧化物中的至少一种。其中，所述导电氧化物包括SrRuO3、LaNiO3、Ba0.5Sr0.5RuO3、La0.6Sr0.4MnO3以及La0.5Sr0.5CoO3中的至少一种；所述金属包括：Pt、Ti、Al、Au以及Cr中的至少一种。
在一些实施例中，所述顶电极103包括单层或多层堆叠结构，所述顶电极的材料包括金属和导电氧化物中的至少一种。其中，所述导电氧化物包括SrRuO3、LaNiO3、Ba0.5Sr0.5RuO3、La0.6Sr0.4MnO3以及La0.5Sr0.5CoO3中的至少一种；所述金属包括：Pt、Ti、Al、Au以及Cr中的至少一种。
在一些实施例中，因特殊原因(如器件工艺要求)无法制备顶电极，仅有底电极存在时，底电极选择的原则不变，也可当作偏置电极结构，但性能强化效果有所降低。
在一些实施例中，在所述底电极101和所述压电薄膜102之间还形成有缓冲层；所述缓冲层的功函数位于所述底电极的功函数和压电薄膜的功函数大小之间。可以将所述缓冲层看作所述底电极101的顶层材料。
在一些实施例中，所述压电薄膜102包括单层或多层堆叠结构。
在一些实施例中，所述压电薄膜102的材料可以包括AlN、ZnO、PbZrxTi1-xO3、BaTiO3、KxNa1-xNbO3、PbTiO3、BiFeO3、PMN-PT等压电材料中的至少一种。
在一些实施例中，所述底电极101的厚度范围为10nm～500nm。
在一些实施例中，所述顶电极103的厚度范围为10nm～500nm。
在一些实施例中，所述压电薄膜102的厚度范围为0.2μm～3μm。
本发明的具有压电薄膜的偏置结构，采用不对称的电极结构设计，利用电极材料和压电薄膜之间的功函数差异，在两者的界面附近形成电场，增强(或削弱)压电薄膜的自发极化，进而增强(或削弱)压电薄膜的压电性能。
还可以采用不对称的电极结构设计，利用电极材料和压电薄膜之间的晶格常数差异或热膨胀系数差异，在两者的界面附近形成应力场，增强(或削弱)压电薄膜的自发极化，进而增强(或削弱)压电薄膜的压电性能。
本发明的实施例还提供一种具有压电薄膜的偏置结构的形成方法，以形成上述实施例的偏置结构。
请结合参考图1，所述偏置结构的形成方法包括如下步骤：
步骤S1:提供底电极101。
可以在基底100上形成所述底电极101。基底100的选择包括但不局限于硅、氧化硅、不锈钢、钛酸锶、云母等，基底的取向不唯一。当基底100具有晶格取向时，可以选择包括(100)及以外的各种取向。在形成所述底电极之前，可以先对所述基底100表面进行清洗，例如采用等离子清洗、超声结合烘烤等方式进行所述清洗。
基底的大小不限，包括实验级小样品(如1mm*1mm、10mm*10mm等)和晶圆级大样品(如3英寸、8英寸、12英寸等)。
电极材料的制备工艺包括但不局限于磁控溅射、溶胶凝胶法、脉冲激光沉积法等。
步骤S2:在所述底电极101表面形成压电薄膜102。所述底电极101与所述压电薄膜102之间的指标参数的差异大于等于最低阈值，所述指标参数与压电薄膜102的自发极化相关。
该实施例中，还包括步骤S3：在所述压电薄膜102表面形成顶电极103；所述顶电极103与所述压电薄膜102之间的指标参数的差异大于等于最低阈值。
在一些实施例中，所述差异小于等于压电薄膜的对应指标参数的30％；所述最低阈值大于等于压电薄膜的对应指标参数的5％。
在一些实施例中，采用不同材料分别满足所述指标参数要求的底电极和顶电极；或者，采用相同材料形成所述底电极和所述顶电极后，对所述顶电极和底电极进行掺杂，以调整各电极的指标参数。
所述底电极101、压电薄膜102以及顶电极103的相关特征，引用前述实施例中描述，在此不再赘述。
以下通过几个具体实施例进一步对上述形成方法进行阐述。
实施例1：
在常规Si基底上，制作具有功函数偏置电极结构的LNO(镍酸镧)底电极-PZT压电薄膜-Pt顶电极，其中，LNO功函数小于PZT，Pt功函数大于PZT，主要包括以下步骤：
基底清洗：选用(100)取向的Si基底，利用丙酮、乙醇、去离子水等对其进行超声清洗。清洗完成后，放入磁控溅射腔室内。
溅射底电极LNO：选用功函数小于PZT薄膜的镍酸镧LNO，通过射频溅射获得150nm左右的薄膜作为底电极。优选参数示例(包括但不局限于)：温度350℃，氧氩比1:6，溅射气压0.9Pa，功率60W；
溅射压电薄膜PZT：通过射频溅射，在500℃制备1μm左右的PZT薄膜。优选参数示例(包括但不局限于)：氧氩比1:3，溅射气压0.5Pa，功率100W，溅射时间4h。
溅射顶电极Pt：选用功函数大于PZT薄膜的铂Pt，通过直流溅射获得100nm左右的薄膜作为顶电极。优选参数示例(包括但不局限于)：室温，纯氩气，溅射气压0.7Pa，功率40W。
通过该技术方案，可以实现电场增强PZT薄膜的自发极化，进而实现压电性能的提升。
为了对比偏置电极结构的作用，另有两组对照组，其中一组为LNO底电极-PZT压电薄膜-LNO顶电极，另一组为Pt底电极-PZT压电薄膜-Pt顶电极。三者之间的压电性能对比如表1所示，显然，基于功函数差异的偏置电极结构设计，可以显著的增强压电薄膜的性能。
表1不同电极结构设计的压电薄膜性能对比(功函数)
| 底电极 | 压电薄膜 | 顶电极 | 压电常数(d<sub>33</sub>) |
| Pt | PZT | Pt | 88.14 |
| LNO | PZT | Pt | 143.23 |
实施例2：
在不锈钢基底上，制作具有不同热失配差异的电极：底电极Al-压电薄膜PZT-顶电极Al、底电极Au-压电薄膜PZT-顶电极Au，其中，Al和Au与PZT之间的晶格失配、功函数差异均类似，但热失配差异较大，其中Al与PZT之间的热失配更大，主要包括以下步骤：
基底清洗：选用304不锈钢作为基底，利用丙酮、乙醇、去离子水等对其进行超声清洗。清洗完成后，放入磁控溅射腔室内。
溅射底电极Al：通过直流溅射获得100nm左右的薄膜作为底电极。优选参数示例(包括但不局限)：室温，氩气流量20，溅射气压0.5Pa，功率60W。
溅射压电薄膜PZT：通过射频溅射，在450℃制备1.5μm左右的PZT薄膜。优选参数示例(包括但不局限于)∶氧氩比1∶5，溅射气压0.6Pa，功率120W，溅射时间5h。
溅射顶电极Al：参数同底电极。
为了对比热失配差异的作用，另有一组对照组，为Au底电极-PZT压电薄膜-Au顶电极。两者之间的压电性能对比如表2所示。显然，热失配差异也会对压电薄膜性能产生影响。
表2不同电极结构设计的压电薄膜性能对比(热膨胀系数)
| 底电极 | 压电薄膜 | 顶电极 | 压电常数(d<sub>33</sub>) |
| Al | PZT | Al | 76.29 |
| Au | PZT | Au | 51.41 |
实施例3：
在钛酸锶基底上，制作具有不同晶格失配差异的电极：底电极Cr-压电薄膜BTO-顶电极Cr、底电极LNO-压电薄膜BTO-顶电极LNO，其中，Cr和镍酸镧LNO与钛酸钡BTO之间的热失配、功函数差异均类似，但晶格失配差异较大，其中Cr与BTO之间的晶格失配更大，主要包括以下步骤：
基底清洗：选用氧化物钛酸锶作为基底，利用丙酮、乙醇、去离子水等对其进行超声清洗。清洗完成后，放入磁控溅射腔室内。
溅射底电极Cr：通过直流溅射获得80nm左右的薄膜作为底电极。优选参数示例(包括但不局限)：室温，氩气流量30，溅射气压0.2Pa，功率80W。
溅射压电薄膜BTO：通过射频溅射，在300℃制备1μm左右的BTO薄膜。优选参数示例(包括但不局限于)∶氧氩比1∶3，溅射气压0.25Pa，功率150W，溅射时间4.5h；
溅射顶电极Cr：参数同底电极。
为了对比晶格失配差异的作用，另有一组对照组，为LNO底电极-BTO压电薄膜-LNO顶电极。两者之间的压电性能对比如表3所示。显然，热失配差异也会对压电薄膜性能产生影响。
表3不同电极结构设计的压电薄膜性能对比(晶格常数)
| 底电极 | 压电薄膜 | 顶电极 | 压电常数(d<sub>33</sub>) |
| Cr | BTO | Cr | 6.18 |
| LNO | BTO | LNO | 10.46 |
由于Cr晶格常数大于BTO，所以界面上BTO受到拉应力，自发极化被削弱，从而压电常数相对较小；LNO的晶格常数小于BTO，界面上BTO压应力，可以增强自发极化，压电常数相对较大。
本发明的偏置结构的形成方法中，基于压电薄膜和电极材料的功函数，可以通过改变电学边界条件来实现压电薄膜性能的调控，即选择与压电薄膜具有一定功函数差异的电极材料分别作为上下电极，产生内建电场从而改变压电薄膜自发极化，进一步调控其压电性能：当界面处产生的电场方向与压电薄膜自发极化方向相同，与退极化场方向相反时，可以起到增强压电性能的作用；反之则减小压电性能。
基于压电薄膜和电极材料的晶格常数和热膨胀系数，可以通过改变机械边界条件来实现压电薄膜性能的调控，即选择与压电薄膜具有一定晶格失配或热失配的电极材料分别作为上下电极，在界面处可产生压应力或拉应力，从而实现压电性能的调控：当电极晶格常数小于压电薄膜或热膨胀系数大于压电薄膜时，界面处会形成压应力，可增强压电薄膜性能；反之则减小压电性能。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (17)
1.一种具有压电薄膜的偏置结构，其特征在于，包括：
底电极；
位于所述底电极表面的压电薄膜；
所述底电极与所述压电薄膜之间的指标参数的差异大于等于最低阈值，所述指标参数与压电薄膜的自发极化相关。
2.根据权利要求1所述的偏置结构，其特征在于，还包括：位于所述电压薄膜表面的顶电极，所述顶电极与所述压电薄膜之间的指标参数的差异大于等于所述最低阈值。
3.根据权利要求1或2所述的偏置结构，其特征在于，所述指标参数包括：功函数、晶格常数以及热膨胀系数中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的偏置结构，其特征在于，所述差异的最低阈值大于等于压电薄膜的对应指标参数的5％；所述差异小于等于压电薄膜的对应指标参数的30％。
5.根据权利要求3所述的偏置结构，其特征在于，所述指标参数包括功函数时：所述底电极和所述压电薄膜的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜内自发极化方向相同，和/或，所述顶电极和所述压电薄膜的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜内自发极化方向相同，以增强所述压电薄膜的自发极化。
6.根据权利要求3所述的偏置结构，其特征在于，所述指标参数包括功函数时：所述底电极和所述压电薄膜的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜内自发极化方向相反，和/或，所述顶电极和所述压电薄膜的功函数从小到大的方向与所述压电薄膜内自发极化方向相反，以减弱所述压电薄膜的自发极化。
7.根据权利要求3所述的偏置结构，其特征在于，所述指标参数包括晶格常数时，所述底电极和所述顶电极中至少一个电极的晶格常数小于所述压电薄膜的晶格常数，以增强所述压电薄膜的自发极化；或者，所述底电极和所述顶电极中至少一个电极的晶格常数大于所述压电薄膜的晶格常数，以减弱所述压电薄膜的自发极化。
8.根据权利要求3所述的偏置结构，其特征在于，所述指标参数包括热膨胀系数时，所述底电极和所述顶电极中至少一个电极的热膨胀系数大于所述压电薄膜的晶格常数，以增强所述压电薄膜的自发极化；或者，所述底电极和所述顶电极中至少一个电极的热膨胀系数小于所述压电薄膜的热膨胀系数，以减弱所述压电薄膜的自发极化。
9.根据权利要求1所述的偏置结构，其特征在于，还包括：位于所述底电极和所述压电薄膜之间的缓冲层；所述缓冲层的功函数位于所述底电极的功函数和压电薄膜的功函数大小之间。
10.根据权利要求2所述的偏置结构，其特征在于，所述底电极包括单层或多层堆叠结构，所述底电极的材料包括金属和导电氧化物中的至少一种；所述顶电极包括单层或多层堆叠结构，所述顶电极的材料包括金属和导电氧化物中的至少一种。
11.根据权利要求10所述的偏置结构，其特征在于，所述导电氧化物包括SrRuO3、LaNiO3、Ba0.5Sr0.5RuO3、La0.6Sr0.4MnO3以及La0.5Sr0.5CoO3中的至少一种；所述金属包括：Pt、Ti、Al、Au以及Cr中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的偏置结构，其特征在于，所述压电薄膜材料包括单层或多层堆叠结构；和/或，所述压电薄膜材料包括AlN、ZnO、PbZrxTi1-xO3、BaTiO3、KxNa1-xNbO3、PbTiO3、BiFeO3、PMN-PT中的至少一种。
13.根据权利要求2所述的偏置结构，其特征在于，所述底电极的厚度范围为10nm～500nm；和/或，所述顶电极的厚度范围为10nm～500nm；和/或，所述压电薄膜的厚度范围为0.2μm～3μm。
14.一种具有压电薄膜的偏置结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供底电极；
在所述底电极表面形成压电薄膜；
所述底电极与所述压电薄膜之间的指标参数的差异大于等于最低阈值，所述指标参数与所述压电薄膜的自发极化相关。
15.根据权利要求14所述的形成方法，其特征在于，还包括：在所述压电薄膜表面形成顶电极；所述顶电极与所述压电薄膜之间的指标参数的差异大于等于最低阈值。
16.根据权利要求14所述的形成方法，其特征在于，所述差异小于等于压电薄膜的对应指标参数的30％；所述最低阈值大于等于压电薄膜的对应指标参数的5％。
17.根据权利要求14所述的形成方法，其特征在于，分别采用不同的材料以形成所述底电极和所述顶电极；或者，采用相同材料形成所述底电极和所述顶电极后，对所述顶电极和所述底电极分别进行掺杂，以调整各电极的指标参数。
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