Bi4Ti3O12-ZnO系異質(zhì)復(fù)合薄膜的脈沖激光沉積與外延生長.pdf

1、電子信息系統(tǒng)正在向體積更小、速度更快和功耗更低的方向發(fā)展，促使電子材料的薄膜化和多功能復(fù)合化以及電子器件的片式化和多功能集成化的快速發(fā)展。將以極化為特征的鐵電功能材料與以電子輸運(yùn)為特征的半導(dǎo)體材料以固態(tài)薄膜的形式集成生長在一起，形成多功能一體化且具有層間功能調(diào)制耦合作用的鐵電/半導(dǎo)體復(fù)合薄膜新材料，為研制更高性能的電子器件和新型的功能器件提供了新的思路和可能。對(duì)新型的鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)復(fù)合薄膜的探索研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2、>　　 本論文探索Bi4Ti3O12(BiT)基鐵電薄膜與ZnO基半導(dǎo)體薄膜的異質(zhì)外延集成生長，采用脈沖激光沉積工藝，實(shí)現(xiàn)(100)取向的Bi3.6Ho0.4Ti3O12(BHT)鐵電薄膜與Al摻雜ZnO(AZO)薄膜和Co摻雜ZnO(Zn1-xCoxO)稀磁半導(dǎo)體薄膜的外延集成生長。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下。
　　 首先為了探索Bi4Ti3O12基鐵電薄膜的生長工藝，采用脈沖激光沉積在Pt(111)/Ti/SiO2/S

3、i基片上生長BiT和BHT薄膜，研究了工藝對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)取向的影響薄膜，并對(duì)BiT和BHT薄膜的取向和性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，較高的沉積溫度和氧分壓以及較大的激光能量能夠促進(jìn)薄膜中非c軸取向晶粒的生長。BHT薄膜表現(xiàn)出顯著的鐵電極化各向異性，主要自發(fā)極化發(fā)現(xiàn)仍沿α軸方向。Ho摻雜大大改善了BiT薄膜的漏電流和抗疲勞特性。
　　 要實(shí)現(xiàn)BHT/ZnO基半導(dǎo)體復(fù)合薄膜的外延集成生長，需要首先外延生長ZnO基半導(dǎo)體薄膜作為基底層，因此分

4、別研究了AZO透明導(dǎo)電薄膜和Zn1-xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜的脈沖激光沉積和外延生長。采用脈沖激光沉積工藝在c軸取向的藍(lán)寶石基片上分別外延生長了(001)取向的AZO透明導(dǎo)電薄膜和Zn1-xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于AZO薄膜，氧分壓對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能影響很大。隨著氧分壓的增大，AZO薄膜的晶粒尺寸增大，薄膜的厚度先增加后減小。13 Pa氧壓下外延生長的AZO薄膜的平均透過率達(dá)到94％以上，并具有最低的電阻率，可以作為外延集成

5、生長BHT薄膜的基底。對(duì)于Zn1-xCoxO薄膜，在真空環(huán)境中外延生長的薄膜顯示出室溫鐵磁性，但在高溫和氧氣氛中退火后鐵磁性消失，顯示出順磁性，退火過程使Zn1-xCoxO薄膜的電阻率大幅升高。
　　 最后，在外延的(001)取向AZO透明導(dǎo)電薄膜和Zn1-xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜上實(shí)現(xiàn)了(100)取向BHT薄膜的外延集成生長。BHT薄膜的(100)晶面與ZnO基半導(dǎo)體薄膜的(001)晶面存在長程的點(diǎn)陣匹配關(guān)系，其面內(nèi)外延關(guān)系是

6、BHT[001]//ZnO<010>。隨著激光能量的增加，在(001)取向AZO薄膜層上外延生長的(100)取向BHT薄膜的結(jié)晶性變好，(100)取向BHT晶粒從最初的無規(guī)則形貌，經(jīng)過鏈狀結(jié)構(gòu)，最終演變?yōu)榈容S狀晶粒。對(duì)BHT/ZnO基半導(dǎo)體異質(zhì)復(fù)合薄膜的性能進(jìn)行了初步探索。BHT(100)/AZO(001)異質(zhì)復(fù)合薄膜呈現(xiàn)出透明特性，(500 nm)BHT/(300 nm)AZO復(fù)合薄膜在可見光波長范圍的平均透過率達(dá)到89％；BHT/A