CN1379460A - 高Tc铁电薄膜取向控制生长方法及铁电存储器原型器件 - Google Patents
高Tc铁电薄膜取向控制生长方法及铁电存储器原型器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1379460A CN1379460A CN01113731.2A CN01113731A CN1379460A CN 1379460 A CN1379460 A CN 1379460A CN 01113731 A CN01113731 A CN 01113731A CN 1379460 A CN1379460 A CN 1379460A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thin film
- ferroelectric
- ferroelectric thin
- growth
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 claims abstract description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 30
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 25
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910009580 YMnO Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000013049 sediment Substances 0.000 claims description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims 1
- VSSLEOGOUUKTNN-UHFFFAOYSA-N tantalum titanium Chemical compound [Ti].[Ta] VSSLEOGOUUKTNN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 15
- 230000002929 anti-fatigue Effects 0.000 abstract description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 26
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 19
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 6
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000005621 ferroelectricity Effects 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
高TC铁电薄膜取向控制生长方法及铁电存储器原型器件,利用脉冲激光沉积方法(PLD)在衬底上生长高TC铁电薄膜,生长的铁电薄膜主要为Bi3TiNbO9(BTN)和Bi3TiTaO9(BTT),在薄膜的生长过程中外加一个与衬底表面垂直的静电场E,生长温度低于Tc。本发明提供了一种高TC铁电薄膜取向控制生长方法,用此生长方法得到铁电存储器原型器件,其剩余极化较大,抗疲劳性好,具有较好的实用前景。
Description
本发明属新材料和新技术领域，涉及铁电薄膜新材料研究、实时电场诱导铁电薄膜取向控制生长技术及高TC铁电存储器原型器件的制备。
铁电薄膜的弹、压、介电、电光和声光性质与其晶体取向有着密切的关系。而实用的铁电薄膜光电子器件均要求其具有特定的取向或外延结构，如：PbTiO3应用于热释电探测器，要求(001)取向，以获得最大的热释电效应；Sr2Ba2NbO7应用于电光调制器，要求(001)取向；而LiNbO3的压电应用也要求(001)取向。
非挥发性铁电存储器是一种利用铁电材料的剩余极化(Pr)，来实现信息存储的一种存储器。由于剩余极化在无外场作用的情况下，可以长时间的保持，不需要频繁的刷新，因而铁电存储器的能耗极低，而且在掉电情况下信息也不会损失，保证了数据的安全性等优点。再加上铁电存储器具有很强的抗辐射性。因此，在信息存储及信号处理等领域有着广阔的应用前景。制做非挥发性铁电存储器的理想材料应具备如下特点：大的剩余极化，小的矫顽场和很好的抗疲劳特性。目前，Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)和SrBi2Ta2O9(SBT)这两种物质是被广泛使用的铁电材料。其中，PZT具有很大的剩余极化，但抗疲劳性能较差；而SBT的抗疲劳性虽然很好，但剩余极化却较小。另一方面SBT这一类的层状铁电氧化物薄膜倾向于沿c轴方向生长，而他们的自发极化P的方向却均在a-b平面内。这就导致了该种材料在制备成薄膜后显示出较小的剩余极化。
本发明的目的是：提供一种高TC铁电薄膜取向控制生长方法及一种铁电存储器原型器件，其抗疲劳性好，剩余极化较大，具有较好的实用前景。
本发明的目的是这样实现的：高TC铁电薄膜取向控制生长方法及铁电存储器原型器件：利用脉冲激光沉积方法(PLD)在衬底上生长高TC铁电薄膜，生长的铁电薄膜主要为Bi3TiNbO9(BTN)和Bi3TiTaO9(BTT)，在薄膜的生长过程中外加一个与衬底表面垂直的静电场E。
本发明所选用的材料主要为Bi3TiNbO9(BTN)和Bi3TiTaO9(BTT)，其居里温度TC为940℃和870℃。
生长时静电场E的范围为：5V/cm-500V/cm。
由于铁电材料存在的自发极化P在薄膜生长时可与外加静电场E发生相互作用，改变了薄膜的表面自由能G，使自发极化P在某种程度上沿静电场E的方向排列，进而影响薄膜的取向。为了实现这一目的，要选用居里点TC高于薄膜生长温度(600℃)的铁电氧化物材料，以保证生长时薄膜材料具有可与静电场E相互作用的自发极化P。
本发明的目的就是用上述方案，选用高TC的层状铁电氧化物材料，用经过改进的PLD系统制备铁电氧化物薄膜，在薄膜生长过程中原位加一静电场，从而达到控制薄膜取向，改善薄膜性质的目的。
本发明的技术解决方案中选择的衬底材料是：Pt/Ti/SiO2/Si，Pt/TiO2/SiO2/Si和Si(001)等衬底材料，并选用高TC层状铁电氧化物材料(BTN，BTT等)，利用PLD法制备铁电薄膜。即制成铁电存储器原型器件。
本发明的特点是：提供了一种高TC铁电薄膜取向控制生长方法，用此生长方法得到铁电存储器原型器件，其剩余极化较大，抗疲劳性好，具有较好的实用前景。本发明的科学价值在于，首次将原位电场诱导薄膜取向生长的方法引入铁电存储材料的制备过程中。利用电场与铁电材料自发极化的耦合来达到控制薄膜取向的目的。其应用价值在于，进一步发展了一种薄膜制备的方法，并且找到了一种有较大的自发极化，较小的矫顽场和良好的抗疲劳特性等优点的铁电材料。
以下结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明制备高TC层状铁电氧化物薄膜的原位电场诱导PLD薄膜生长系统的结构示意图：
图2(a)、(b)是分别为生长时加及不加电场的BTN薄膜的XRD衍射图。图中显示，加电场生长的BTN薄膜的(115)和(107)面衍射强度与不加电场生长的BTN薄膜相比有了极大的增强，而c取向的晶面则完全消失。这说明电场成功的抑制了BTN薄膜的c取向而增强了a-b取向的面的分量。
图3是用原位电场诱导生长的Pt/BTN/Pt原型器件的电滞回线。从图中可以看出，在6V的测量电压下，其2Pr～11.2μC/cm2，远大于不加电场生长的Pt/BTN/Pt原型器件。
图4为两种薄膜表面形貌SEM照片。图中明显可以看出原位电场诱导生长的BTN薄膜的晶粒尺寸(120nm，如图4(b)所示)大于不加静电场生长的BTN薄膜的晶粒尺寸(70nm，如图4(a)所示)。说明电场也有助于薄膜晶粒尺寸的增加。
图5为原位电场诱导生长的Pt/BTN/Pt原型器件的疲劳实验结果。如图所示，在反转次数大于1010时，BTN薄膜没有任何明显的疲劳迹象。说明用新方法制备的BTN薄膜有极好的抗疲劳特性。
如图1所示，电场的施加装置是：在生长过程中使用金属网栅做上电极，衬底台做下电极，在衬底表面的垂直方向施加一原位静电场，选择合适的电场强度对薄膜的结构和取向进行控制。静电场的强度为5-500 V/cm。
铁电薄膜的制备，利用原位电场诱导PLD技术对薄膜的结构和取向进行控制，从而改善了薄膜的铁电性，同时也保证了其自身的均匀性。该技术的关键在于选择合适的电场强度，并确保电场均匀；合适的BTN靶材(考虑到Bi易挥发，我们选用了Bi过量20％的富Bi靶，以保证薄膜中含有适当化学计量比的Bi)；合适的衬底温度(600℃～700℃)；合适的生长室氧气气压(200mTorr)。图中1.KrF准分子激光器1，波长248nm，能量密度2J/cm2。2.BTN靶材2，其中Bi过量10-30％，一般过量20％较好。3.上电极金属栅网3，既保证了电场的均匀性，又保证了激光溅射出的物质能顺利的到达样品。4.衬底台4和电阻炉5。衬底台能以恒定的速度旋转，保证了薄膜的均匀性，而电阻炉可在20℃～900℃之间的任一温度保持恒定。外加的恒压源提供恒定的静电场。实施例中静电场的强度为80和150V/cm两个点时没有明显变化，生长室内保持200mTorr的氧气压。
BTT铁电氧化物薄膜的选择BTT靶材，其中Bi适当过量。其它工艺条件与上述相同，静电场的强度同上述。
用二氧化碳激光器，能量密度大于上例一倍，其它条件同上。其它大功率激光器也能得到类似结果。
上述实施例的衬底材料分别是：Pt/Ti/SiO2/Si，Pt/TiO2/SiO2/Si和Si(001)，能得到相同的结果。
利用本发明的产品及工艺方法可制作集成铁电和光电子器件或用作诱导其他材料取向生长的诱导层(如结构相同，但居里点只有310℃的SBT)。可广泛的应用在通讯，信息及日常生活的各个领域。它具有体积小，能耗低，信息安全性好等优点。因其生长温度较低，在很大程度上可与现有的半导体工艺相容。
总而言之，用新方法制备的Pt/BTN/Pt原型器件，经过各种测试手段的分析，显示了良好的性能。证明了新方法的有效性，同时证明了新材料BTN是一种优良的铁电存储器材料。
同样，该方法可用于其它的高Tc铁电氧化物：BiFeO3；YMnO3；ErMnO3；HoMnO3；YbMnO3，PbNbO3；Bi4Ti3O12；Ni3B7O13Cl等，同上述生长温度的条件一样，其条件是生长温度低于Tc。选用靶材时，含Bi和稀土元素靶材过量10-30％。这些实施例均没有超过本发明的范围。生长时静电场E的范围为 5V/cm-500V/cm。
Claims (6)
1、高TC铁电薄膜取向控制生长方法，其特征是利用脉冲激光沉积方法(PLD)在衬底上生长高TC铁电薄膜，生长的铁电薄膜主要为Bi3TiNbO9(BTN)和Bi3TiTaO9(BTT)，在薄膜的生长过程中外加一个与衬底表面垂直的静电场E，生长温度低于Tc。
2、由权利要求1所述的高TC铁电薄膜取向控制生长方法其特征是衬底材料是：Pt/Ti/SiO2/Si，Pt/TiO2/SiO2/Si和Si(001)。
3、由权利要求1所述的高TC铁电薄膜取向控制生长方法，其特征是生长的铁电薄膜材料为BiFeO3；YMnO3；ErMnO3；HoMnO3；YbMnO3，PbNbO3；Bi4Ti3O12；Ni3B7O13Cl。
4、由权利要求1所述的高TC铁电薄膜取向控制生长方法，其特征是静电场E为5-500V/cm。
5、由权利要求1所述的高TC铁电薄膜取向控制生长方法，其特征是生长铁电薄膜Bi3TiNbO9(BTN)和Bi3TiTaO9(BTT)，静电场E为80-150V/cm。
6、高TC铁电薄膜铁电存储器原型器件：其特征是在衬底材料Pt/Ti/SiO2/Si，Pt/TiO2/SiO2/Si和Si(001)上生长铁电薄膜Bi3TiNbO9(BTN)和铋酸钛钽(BTT)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN01113731.2A CN1379460A (zh) | 2001-06-27 | 2001-06-27 | 高Tc铁电薄膜取向控制生长方法及铁电存储器原型器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN01113731.2A CN1379460A (zh) | 2001-06-27 | 2001-06-27 | 高Tc铁电薄膜取向控制生长方法及铁电存储器原型器件 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1379460A true CN1379460A (zh) | 2002-11-13 |
Family
ID=4660438
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN01113731.2A Pending CN1379460A (zh) | 2001-06-27 | 2001-06-27 | 高Tc铁电薄膜取向控制生长方法及铁电存储器原型器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1379460A (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100350562C (zh) * | 2002-12-17 | 2007-11-21 | 伊布勒光子学公司 | 利用沉积法制备铁电单晶膜结构的方法 |
| US7399356B2 (en) | 2002-12-17 | 2008-07-15 | Ibule Photonics, Inc. | Method for preparation of ferroelectric single crystal film structure using deposition method |
| CN100526498C (zh) * | 2006-01-20 | 2009-08-12 | 中国科学院物理研究所 | 一种可加电场的脉冲激光沉积制膜系统 |
| CN1842878B (zh) * | 2003-08-29 | 2011-04-06 | 独立行政法人科学技术振兴机构 | 超导膜及其制造方法 |
| CN105350083A (zh) * | 2015-11-20 | 2016-02-24 | 中国科学院理化技术研究所 | 硼酸碲铋化合物、硼酸碲铋非线性光学晶体、硼酸碲铋闪烁晶体及制备方法和应用 |
| CN108962897A (zh) * | 2018-06-06 | 2018-12-07 | 华南师范大学 | 基于六角ErMnO3外延薄膜的铁电存储器件及其制备方法 |
| CN114990529A (zh) * | 2022-05-23 | 2022-09-02 | 湘潭大学 | 铁电薄膜的制备方法及铁电薄膜 |
-
2001
- 2001-06-27 CN CN01113731.2A patent/CN1379460A/zh active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100350562C (zh) * | 2002-12-17 | 2007-11-21 | 伊布勒光子学公司 | 利用沉积法制备铁电单晶膜结构的方法 |
| US7399356B2 (en) | 2002-12-17 | 2008-07-15 | Ibule Photonics, Inc. | Method for preparation of ferroelectric single crystal film structure using deposition method |
| CN1842878B (zh) * | 2003-08-29 | 2011-04-06 | 独立行政法人科学技术振兴机构 | 超导膜及其制造方法 |
| CN100526498C (zh) * | 2006-01-20 | 2009-08-12 | 中国科学院物理研究所 | 一种可加电场的脉冲激光沉积制膜系统 |
| CN105350083A (zh) * | 2015-11-20 | 2016-02-24 | 中国科学院理化技术研究所 | 硼酸碲铋化合物、硼酸碲铋非线性光学晶体、硼酸碲铋闪烁晶体及制备方法和应用 |
| CN105350083B (zh) * | 2015-11-20 | 2017-10-10 | 中国科学院理化技术研究所 | 硼酸碲铋化合物、硼酸碲铋非线性光学晶体、硼酸碲铋闪烁晶体及制备方法和应用 |
| CN108962897A (zh) * | 2018-06-06 | 2018-12-07 | 华南师范大学 | 基于六角ErMnO3外延薄膜的铁电存储器件及其制备方法 |
| CN108962897B (zh) * | 2018-06-06 | 2021-07-13 | 华南师范大学 | 基于六角ErMnO3外延薄膜的铁电存储器件及其制备方法 |
| CN114990529A (zh) * | 2022-05-23 | 2022-09-02 | 湘潭大学 | 铁电薄膜的制备方法及铁电薄膜 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dat et al. | Pulsed laser ablation synthesis and characterization of layered Pt/SrBi2Ta2O9/Pt ferroelectric capacitors with practically no polarization fatigue | |
| Samara et al. | Ferroelectric/relaxor crossover in compositionally disordered perovskites | |
| Uchida et al. | Approach for enhanced polarization of polycrystalline bismuth titanate films by Nd3+/V5+ cosubstitution | |
| Shannigrahi et al. | Fatigue-free lead zirconate titanate-based capacitors for nonvolatile memories | |
| Zhou et al. | Enhanced dielectric, ferroelectric, and optical properties in rare earth elements doped PMN-PT thin films | |
| CN1379460A (zh) | 高Tc铁电薄膜取向控制生长方法及铁电存储器原型器件 | |
| Coulibaly et al. | Enhancement of PbZrO3 polarization using a Ti seed layer for energy storage application | |
| Wei et al. | Synaptic behaviour in ferroelectric epitaxial rhombohedral Hf0. 5Zr0. 5O2 thin films | |
| Bai et al. | In situ growth of highly oriented Pb (Zr 0.5 Ti 0.5) O 3 thin films by low-temperature metal–organic chemical vapor deposition | |
| Haertling | Recent developments in bulk and thin film PLZT materials and devices | |
| CN1933067A (zh) | 透明外延铁电薄膜电容器及其制备方法 | |
| Liu et al. | Microstructure and ferroelectric properties of bi-excess Bi4Ti3O12 thin films grown on Si and Pt/Ti/SiO2/Si substrates | |
| Melo et al. | Physical properties of strontium barium niobate thin films prepared by polymeric chemical method | |
| Ozgul | Polarization switching and fatigue anisotropy in relaxor-lead titanate ferroelectric single crystals | |
| Cui et al. | Ferroelectric properties of neodymium-doped Sr2Bi4Ti5O18 thin film prepared by solgel route | |
| Kim et al. | Influence of preferred orientation of lead zirconate titanate thin film on the ferroelectric properties | |
| Harigai et al. | Dielectric properties of perovskite-type artificial superlattices | |
| Wang et al. | Reduction of leakage current and large enhancement of ferroelectric properties in Sb doped Bi4Ti3O12 ferroelectric thin film with Sb doped Bi2Ti2O7 as buffer layer | |
| Yang et al. | In situ electrical-field-induced growth and properties of Bi 3 TiNbO 9 ferroelectric thin films | |
| Garg et al. | Growth and characterization of epitaxial SrBi2Ta2O9 films on (110) SrTiO3 substrates | |
| Funsueb et al. | Temperature dependence on ferroelectric properties and strain performance of PLZT ceramics containing 9 mol% La | |
| Kim et al. | Effect of La doping on structural and electrical properties of ferroelectric Bi4− xLaxTi3O12 thin films prepared by chemical solution deposition | |
| Ling et al. | Structure and electrical properties of SrBi2Ta2O9 thin films annealed in different atmosphere | |
| Meng et al. | Electric field and frequency dependent scaling behavior of dynamic hysteresis in the epitaxial (Pb0. 9La0. 1)(Zi0. 4Ti0. 6) O3 films | |
| Kim et al. | (Bi, La) 4Ti3O12 (BLT) thin films grown from nanocrystalline perovskite nuclei for ferroelectric memory devices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |