專利名稱：具有應力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領域，特別涉及位移型鐵電超晶格薄膜的低維電子信息材料技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
一種材料具有鐵電特性的必要條件是它的結(jié)構(gòu)必須是非中心對稱的，即具有唯一的一個自發(fā)極化軸。如BaTiO3在溫度為120℃以上時，屬于對稱的立方相，此時它不具有鐵電性，但當溫度降到120℃以下時，BaTiO3屬于非中心對稱的四方相結(jié)構(gòu)，為典型的鐵電材料。
鐵電材料按相轉(zhuǎn)變的微觀機構(gòu)可分為位移型轉(zhuǎn)變的鐵電材料和有序一無序型轉(zhuǎn)變的鐵電材料兩類。位移型鐵電材料的相變機理是材料中同一類離子的亞點陣相對于另一類離子的亞點陣的整體位移，其代表性材料為BaTiO3、LiNbO3和PbTiO3等含氧八面體結(jié)構(gòu)的雙氧化物。位移型鐵電材料是目前應用最多的一類鐵電材料。本發(fā)明的技術(shù)方案主要就是針對位移型鐵電材料而制定的。
目前塊狀的鐵電晶體研究得已比較成熟，并且已廣泛應用于傳感器、聲表面波器件、鐵電存儲器、二次諧波發(fā)生器等領域。但隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，對器件的要求越來越小，存儲密度越來越高，所以近十多年來，鐵電薄膜得到迅速發(fā)展，以便能與集成半導體技術(shù)相結(jié)合，使其在微波單片集成電路、光波導、微電子機械系統(tǒng)等領域得到廣泛應用。
可是許多材料當尺寸或薄膜厚度減小后，其性能下降或消失。比如，一般情況下，鐵電薄膜的厚度降低到一定程度時，其介電常數(shù)或剩余極化強度迅速降低，這就極大地限制了它們的應用。為了使鐵電薄膜材料做成的器件適應微電子技術(shù)發(fā)展的要求，即要求鐵電薄膜材料的厚度在減小到一定的程度(通常為十納米數(shù)量級的范圍)內(nèi)同時又要保證材料有足夠的鐵電性能，這是現(xiàn)有技術(shù)中尚未解決的技術(shù)問題之一。
由于無對稱中心的存在是結(jié)構(gòu)上保證材料具有鐵電性的必要條件，所以提高其鐵電性能的方法之一是增加結(jié)構(gòu)的非對稱性，通常采取的方法是增加材料應變來增大材料結(jié)構(gòu)的非對稱。低維結(jié)構(gòu)的鐵電超晶格薄膜就是利用構(gòu)成超晶格的兩種材料的晶格失配，產(chǎn)生應變，使薄膜在超薄的條件下，仍然呈現(xiàn)出通常塊材才具有、而一般鐵電薄膜不具備的電學性能，如非常高的介電常數(shù)或較高的剩余極化強度等。因此，鐵電超晶格的研究已經(jīng)開始受到越來越多的關(guān)注，已成為目前材料技術(shù)領域研究的熱點之一。
但是，采用鐵電超晶格薄膜技術(shù)只能在一定程度上提高鐵電薄膜的鐵電性能，尚不能保證其在工業(yè)生產(chǎn)中能夠應用；況且，由于各種鐵電材料在相同條件下，所呈現(xiàn)的性能差別很大，如介電常數(shù)、剩余極化強度、以及存貯電荷密度等，所以不同組分材料的鐵電超晶格薄膜在性能上也存在著很大的差異。目前，研究較多的鐵電材料有BaTiO3、SrTiO3、Pb系鐵電材料以及含Bi的層狀鐵電材料，相應的鐵電超晶格的研究也主要集中在由這些材料構(gòu)成的薄膜上。但是由于Pb元素易揮發(fā)、有毒，使得Pb系鐵電超晶格一方面在應用上受到限制，另一方面生長超晶格時顯得十分困難，而BaTiO3/SrTiO3超晶格的損耗一直比較大。因此如何降低損耗，提高極化強度，對低維的鐵電超晶格實用化具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
如前所述，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是要解決在位移型鐵電超晶格薄膜的厚度減小到一定程度(十納米數(shù)量級)后，如何保證位移型鐵電超晶格薄膜仍然具有與塊狀材料同等的鐵電性能，也就是要解決在位移型鐵電超晶格薄膜的厚度減小到一定程度(十納米數(shù)量級)后，如何提高自身介電常數(shù)或剩余極化強度的問題。
本方明詳細技術(shù)方案是具有應力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料，結(jié)構(gòu)上包括基片、緩沖層、位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極，其特征是，在位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極之間還有一層應力限制層。
由于應力限制層的作用是將鐵電超晶格中產(chǎn)生的應變限制在薄膜內(nèi)，所以要求應力限制層所用的材料的晶格結(jié)構(gòu)應與位移型鐵電超晶格薄膜層材料的晶格結(jié)構(gòu)相類似，且應力限制層所用的材料的晶格常數(shù)應小于位移型鐵電超晶格薄膜層材料的晶格常數(shù)，并且材料的介電損耗要低。本發(fā)明選用LaAlO3作為應力限制層的材料，因為LaAlO3晶格結(jié)構(gòu)與位移型鐵電超晶格薄膜層材料(BaTiO3、SrTiO3等)的晶格結(jié)構(gòu)相類似，并且，LaAlO3是一種低介電常數(shù)、低介電損耗的介質(zhì)材料，還有它的介電性能隨溫度和頻率變化較小。
另外，本發(fā)明提供了一種具有應力限制層的鐵電超晶格薄膜材料的制備方法，具體步驟如下1、對基片表面平整度和表面清潔度進行處理；2、采用激光束外延生產(chǎn)技術(shù)，首先在基片表面沉積一層約5nm后的緩沖層；3、采用激光束外延生產(chǎn)技術(shù)在緩沖層上制備位移型鐵電超晶格薄膜，具體是采用間歇式外延生長技術(shù)交替生長，即生長一層薄膜后，停止激光，給表面一定熱擴散時間，然后再生長另一層薄膜，間歇時間根據(jù)材料表面原胞熱擴散時間來確定。
4、生長鐵電超晶格薄膜后，在相同的工藝下，在位移型鐵電超晶格薄膜上生長一層厚度為5～6nm的應力限制層；5、采用真空蒸發(fā)技術(shù)在應力限制層上蒸鍍金屬電極。
與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，本發(fā)明在位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極之間增加一層應力限制層。這樣，一方面該應力限制層可以有效地使超晶格薄膜界面處的應變更多的保持在超晶格薄膜內(nèi)，降低其釋放量，較大的應變使超晶格薄膜的自發(fā)極化強度增大，從而增強了超晶格薄膜的鐵電性能；另一方面應力限制層也抑制了金屬電極中的金屬原子向超晶格薄膜中的擴散，減小了超晶格薄膜的介質(zhì)損耗。因而獲得了剩余極化強度大、損耗小的鐵電超晶格薄膜材料。
本發(fā)明在位移型鐵電超晶格和上電極之間增加應力限制層，并采用介電損耗小、隨溫度和頻率變化小的LaAlO3作為該層材料，采用RADIANT Precision LC 2000鐵電測試系統(tǒng)和TH2816型寬頻LCR數(shù)字電橋，對鐵電超晶格薄膜的介電和鐵電性能進行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入應力限制層之后大大減小了薄膜的介電損耗，其損耗比同樣厚度、同樣工藝生長的BaTiO3/SrTiO3超晶格以及單層鐵電薄膜BaTiO3都小一個數(shù)量級，并且鐵電超晶格薄膜的剩余極化強度增加近四十倍，其電滯回線見附圖2。


圖1為具有應力限制層的鐵電超晶格薄膜材料的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-基片，2-緩沖層，3-鐵電超晶格薄膜，4-應力限制層，5-金屬電極。
圖2為應力限制層對超晶格薄膜鐵電性能的影響，其中曲線a為有應力限制層的鐵電超晶格薄膜的電滯回線，曲線b為沒有應力限制層的鐵電超晶格薄膜的電滯回線。
具體實施例方式
具有應力限制層的鐵電超晶格薄膜材料，基片為摻Nb的、導電的(100)SrTiO3；緩沖層材料為LaAlO3，厚度約為5nm；鐵電超晶格薄膜采用BaTiO3制作；應力限制層采用LaAlO3材料制作，厚度約為5nm；金屬電極直徑為0.3mm。
具體制備步驟為
1、對基片金星表面平整度處理，處理好后的基片表面均方根粗糙度最好小于5nm；2、將基片按照通常的清洗工藝進行清洗；3、采用激光束外延生長技術(shù)，依次在基片上生長LaAlO3緩沖層、BaTiO3鐵電超晶格薄膜和LaAlO3應力限制層；需要說明的是，對鐵電超晶格薄膜的制備采用間歇式外延生長技術(shù)交替生長，即生長一層薄膜后，停止激光，給表面一熱擴散時間，然后再生長另一層薄膜，間歇時間根據(jù)材料表面原胞熱擴散時間來確定；所用工藝條件可以是采用ArF準分子激光器(248nm)作為光源，激光功率密度為1J/cm2，頻率為2Hz，所用的靶材為LaAlO3單晶和BaTiO3多晶靶，靶基距為55mm，背景真空高于10-5Pa，薄膜生長過程中，基片溫度保持在650℃；在整個薄膜的生長過程中，用反射高能電子衍射(RHEED)進行原位實時監(jiān)控；4、采用真空蒸發(fā)技術(shù)在應力限制層上蒸鍍金屬電極；
權(quán)利要求
1.具有應力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料，結(jié)構(gòu)上包括基片、緩沖層、位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極，其特征是，在位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極之間還有一層應力限制層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有應力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料，其特征是應力限制層所用材料在晶格結(jié)構(gòu)上與位移型鐵電超晶格薄膜的晶格結(jié)構(gòu)相類似，其晶格常數(shù)小于位移型鐵電超晶格薄膜的晶格常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有應力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料，其特征是應力限制層所用材料為LaAlO3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的具有應力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料，其特征是應力限制層厚度為5-6nm。
5.具有應力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料的制備方法，其特征是采用如下步驟1)、對基片表面平整度和表面清潔度進行處理；2)、采用激光束外延生產(chǎn)技術(shù)，在基片表面沉積一層約5nm厚的緩沖層；3)、采用激光束外延生產(chǎn)技術(shù)在緩沖層上制備位移型鐵電超晶格薄膜，具體是采用間歇式外延生長技術(shù)交替生長，即生長一層薄膜后，停止激光，給表面一定熱擴散時間，然后再生長另一層薄膜，間歇時間根據(jù)材料表面原胞熱擴散時間來確定；4)、生長鐵電超晶格薄膜后，在相同的工藝下，在位移型鐵電超晶格薄膜上生長一層厚度為5～6nm的應力限制層；5)、采用真空蒸發(fā)技術(shù)在應力限制層上蒸鍍金屬電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有應力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料的制備方法，其特征是，處理好后的基片表面均方根粗糙度最好小于5nm；激光束外延生長技術(shù)所用工藝條件可以是采用ArF準分子激光器(248nm)作為光源，激光功率密度為1J/cm2，頻率為2Hz，所用的靶材為LaAlO3單晶和BaTiO3多晶靶，靶基距為55mm，背景真空高于10-5Pa，薄膜生長過程中，基片溫度保持在650℃；在整個薄膜的生長過程中，用反射高能電子衍射(RHEED)進行原位實時監(jiān)控。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種具有應力限制層的位移型鐵電超晶格薄膜材料及其制備方法，該種材料結(jié)構(gòu)上包括基片、緩沖層、位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，該種材料在位移型鐵電超晶格薄膜和金屬電極之間還有一層應力限制層，應力限制層選用與位移型鐵電超晶格薄膜具有類似晶格結(jié)構(gòu)的、單晶格常數(shù)小于位移型鐵電超晶格薄膜晶格常數(shù)的材料來制作。加入應力限制層之后的位移型鐵電超晶格薄膜材料大大減小了位移型鐵電超晶格薄膜的介電損耗，其損耗比同樣厚度、同樣工藝生長的BaTiO
文檔編號C23C14/04GK1831184SQ20051002047
公開日2006年9月13日 申請日期2005年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月8日
發(fā)明者李燕, 鄧宏, 姜斌, 郝蘭眾, 張鷹 申請人:電子科技大學