CN2527572Y - 在硅基万能衬底上生长多层异质外延薄膜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种在硅基万能衬底(SOI)上生长多层异质外延薄膜，其特点在于在作为基层的硅基万能衬底(SOI)上生成或多层氧化物薄膜作中间过渡层，在过渡层的表面生成钇钡铜氧(YBa2Cu3O7)外延薄膜作为超导层。作为中间过渡层的氧化物为二氧化铈、二氧化锆或铝酸镧中的一种、二种或三种。本实用新型的优点是可以在SOI衬底上，获得各种不同厚度，特别是大于50nm以上厚度的高质量超导YBa2Cu3O7外延薄膜，以满足超导电子器件的制备要求。
Description
一、技术领域：
本实用新型涉及一种超导电子材料，特别是一种在硅基万能衬底(SOI)上生长多层异质外延薄膜材料。
二、背景技术
超导平面工艺技术与成熟的半导体硅基集成工艺技术相结合的混合工艺技术研究，对超导电子器件的应用具有很大的现实意义。以硅材料作为衬底，CeO2(二氧化铈)、ZrO2(二氧化锆)、LaAlO3(铝酸镧)等一种或两种薄膜作为中间过渡层，再在过渡层上外延生长YBa2Cu3O7(钇钡铜氧)薄膜。然而由于高温超导YBa2Cu3O7薄膜与硅材料衬底之间，在热膨胀系数和晶格常数等因数上存在较大的差异，当YBa2Cu3O7薄膜的厚度超过临界值50nm时，由于热膨胀系数和晶格常数失配等因数在薄膜中产生应力，导致薄膜质量严重退化或裂痕的出现。在以往的许多硅材料衬底上生长超导YBa2Cu3O7薄膜的研究工作中，外延的超导YBa2Cu3O7薄膜厚度都未超过50纳米，因而不能满足超导电子器件的要求。
三、发明内容
1、发明目的：本实用新型的目的是提供一种外延的超导YBa2Cu3O7薄膜超过一定的厚度以满足超导电子器件要求的在硅基万能衬底上生长多层异质外延薄膜
2、技术方案：为实现上述目的，本实用新型所述的在硅基万能衬底(SOI)上生长多层异质外延薄膜，其特征在于在作为基层的硅基万能衬底(SOI)上生成或多层氧化物薄膜作中间过渡层，在过渡层的表面生成钇钡铜氧(YBa2Cu3O7)外延薄膜作为超导层。作为之间层的氧化物为二氧化铈(CeO2)、二氧化锆(ZrO2)或铝酸镧(LaAlO3)中的一种、二种或三种。
对于一个具有外延薄膜的异质结构来说，薄膜中的应力εf与失配应力ε0的关系可以被表示为 hs和hf分别为衬底和外延薄膜的厚度，对于常规衬底，其厚度远远大于外延薄膜的厚度，因而应力都释放在薄膜层中。如果衬底的厚度hs很小，趋近于零，则εf可获得很大的改善。硅基万能衬底(SOI)就是基于这种原理，故被称为“万能衬底”。SOI衬底一般有三层结构；最底层是0.2-0.5mm Si单晶作为支撑层，其上是一层SiO2，约300nm，顶层是200-300nm的Si单晶层作为外延生长的种子层。生长在SOI衬底上的薄膜沿顶层Si的取向外延生长，来自热膨胀系数和晶格常数失配等因数产生的应力释放于中间的SiO2层。故而可以在向上生长大于50nm的超导YBa2Cu3O7薄膜。
用SOI做为衬底材料，用脉冲激光沉积(PLD)的方法，生成一层或多层氧化物薄膜如：CeO2(二氧化铈)、ZrO2(二氧化锆)、LaAlO3(铝酸镧)等作为中间过渡层，最后再用PLD方法获得大于400nm的高质量超导YBa2Cu3O7外延薄膜。
3、有益效果：
本实用新型与现有技术相比，其显著优点是可以在SOI衬底上，获得各种不同厚度，特别是大于50nm以上厚度的高质量超导YBa2Cu3O7外延薄膜，满足超导电子器件的制备要求。
四、附图说明
图1是本实用新型纵向结构示意图。
图2是SOI衬底上YBa2Cu3O7/CeO2/ZrO2多层外延薄膜的X衍射谱。
图3是SOI衬底上有CeO2/ZrO2过渡层的YBa2Cu3O7薄膜R-T曲线。
图4是Si衬底上的YBa2Cu3O7薄膜经一次室温至液氮温度在表面出现的裂痕(Crack)。
图5是SOI衬底上的YBa2Cu3O7薄膜经两次室温至液氮温度其表面。
五、具体实施方案
实施例：我们在SOI衬底1上制备了30nm的ZrO2(二氧化锆)和15nm的CeO2(二氧化铈)二层薄膜2-1、2-2作为复合过渡层2，再在其上外延生长了400nm的YBa2Cu3O7(钇钡铜氧)薄膜作为超导层3。x衍射分析表明，多层薄膜具有很好的c轴取向，见图(2)。电阻-温度特性测量，显示了YBa2Cu3O7(钇钡铜氧)薄膜具有88K的零电阻和小于2K的温度转变宽度，见图(3)。多层薄膜的外延结构和电参数性能指标达到了高质量标准。
为了比较SOI材料对外延薄膜应力的释放能力，我们同时在SOI衬底和Si衬底上制备了YBa2Cu3O7(400nm)/CeO2(15nm)/ZrO2(30nm)多层薄膜。在经过一次室温至液氮温度的测量循环，在Si衬底上的YBa2Cu3O7薄膜表面出现裂痕，见图(4)。生长在SOI衬底上的YBa2Cu3O7薄膜，经两次室温至液氮温度的测量循环，薄膜表面未见裂痕，见图(5)。
Claims (2)
1、一种在硅基万能衬底(SOI)上生长多层异质外延薄膜，其特征在于在作为基层(1)的硅基万能衬底(SOI)上用脉冲激光沉积(PLD)方法生成一层或多层氧化物薄膜作中间过渡层(2)，在过渡层(2)的表面用脉冲激光沉积(PLD)方法生成钇钡铜氧(YBa2Cu3O7)外延薄膜作为超导层(3)。
2、根据权利要求1所述的在硅基万能衬底(SOI)上生成多层异质外延薄膜，其特征在于作为中间过渡层(2)的氧化物为二氧化铈(CeO2)、二氧化锆(ZrO2)或铝酸镧(LaAlO3)中的一种、二种或三种。
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