Hf-Bi-,4-Ti-,3-O-,12-薄膜的鐵電性及其與GaN的集成生長研究.pdf

1、Bi系層狀鈣鈦礦氧化物材料以其優(yōu)良的鐵電性能受到廣泛的關注，被認為是最有可能應用到商用鐵電存儲器的材料。其中Bi4Ti3O12(BIT)基系列材料具有較大的自發(fā)極化，較低的處理溫度以及較高的居里溫度等特點，有利于商業(yè)化發(fā)展。但是純BIT薄膜剩余極化值小、抗疲勞特性差，必須對其進行摻雜改性才能加以應用。本論文選用B位等價Hf4+摻雜的BIT(BTH)薄膜材料為研究對象，系統分析了BTH薄膜性能改善的原因以及BTH薄膜的鐵電各向異性，并在此

2、基礎上開展了BTH薄膜與第三代寬禁帶半導體GaN的集成研究。主要包括以下內容： 首先開展了BTH薄膜脈沖激光沉積技術(PLD)的生長研究，探索了主要工藝參數(沉積溫度、氧分壓)對BTH薄膜的影響，優(yōu)化了BTH薄膜生長工藝，制備出了高質量的BTH薄膜。離子摻雜會導致BIT薄膜鐵電性能的改善。為此，本論文在SrTiO3(111)單晶基片上分別制備了以導電氧化物SrRuO3為底電極的BIT薄膜和BTH薄膜，研究了Hf摻雜對Bi系層狀鐵

3、電薄膜的微結構和電學特性的影響。實驗表明，Hf摻雜不會改變薄膜的層狀結構及生長取向，但能有效提高薄膜的鐵電性能，以滿足鐵電存儲器應用的要求：剩余極化強度增大至3倍，矯頑場減小至70％，抗疲勞特性得到明顯的改善。 控制薄膜的生長取向，制備取向趨近于極化方向的薄膜是提高其鐵電性能的一個重要途徑。而離子摻雜可能改變Bi系層狀鐵電薄膜原有的極化方向，因此，研究Hf摻雜對BIT薄膜各向異性的影響至關重要。采用PLD方法在單晶氧化物基片ST

4、O(001)、STO(111)上分別外延生長了c軸(001)-BTH薄膜和近α軸的(104)-BTH薄膜。(104)-BTH薄膜的剩余極化強度和介電常數εr(分別為45.7μC/cm2、425)要遠遠高于c軸BTH薄膜(分別為1.5μC/cm2、245)，其鐵電各向異性與純BIT薄膜是一致的。換句話說，B位等價Hf摻雜不會改變Bi系層狀鐵電薄膜的各向異性，對于這類材料，控制其生長取向、制備非c軸(或近α軸)取向薄膜是獲取鐵電性能良好的B

5、TH薄膜的有效途徑。 鐵電/半導體集成薄膜由于其廣泛的應用背景一直倍受青睞，論文開展了BTH/GaN集成薄膜的制備和性能研究。通過TiO2和SrRuO3(SRO)薄膜的緩沖，實現以(104)BTH薄膜與GaN的集成生長。SRO/TiO2雙層過渡層降低了鐵電薄膜和半導體材料間的晶格失配，有效的改善了其界面特征，使得在GaN上制備的BTH薄膜具有與在單晶STO基片上制備的BTH薄膜相近的鐵電特性和漏電流密度。這一研究結果為實現GaN