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Pb（Zr_（0.52）Ti_（0.48））O_3铁电薄膜与GaN/Al_2O_3集成生长与性能研究

作　者: 李理
导　师: 朱俊
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: PZT GaN 激光脉冲沉积系统(PLD) TiO2 MgO
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

铁电材料PZT由于具备优良的铁电性、热释电性、压电性和光学特性等,受到人们的广泛关注。第三代宽禁带半导体材料GaN具有击穿场强大、热导率高、载流子迁移率高、抗辐射能力强等优点。将铁电材料PZT与半导体材料GaN通过固态薄膜的形式集成,并利用这种集成薄膜的一体化特性,可以实现电子信息系统的小型化和模块化,增强系统功能,提高集成度。但是,PZT类铁电材料为立方钙钛矿结构,GaN为六方纤锌矿结构,二者晶格失配大,生长工艺不兼容,要在GaN上实现PZT薄膜外延生长面临着一系列的技术问题,因此寻找一种可靠方法在六方纤锌矿结构材料上制备高质量的铁电薄膜对实现铁电/半导体的集成具有重要的意义。本文拟采用特殊结构的缓冲层在GaN/Al₂O₃上实现PZT铁电薄膜的取向可控的生长,并获得铁电性能优良的PZT/buffer/GaN/Al₂O₃集成薄膜异质结构。首先,采用脉冲激光沉积法在Al₂O₃衬底上进行了底电极Pt和SrRuO3的生长研究,得到了Al₂O₃基片上制备底电极的优化工艺参数。然后,在Al₂O₃基片上进行PZT薄膜的生长研究和性能测试。实验结果表明,通过使用TiO₂缓冲层能够在550℃的生长温度实现PZT薄膜沿（111）方向外延生长,而未用缓冲层的情况下得到的是多晶结构的PZT薄膜。电学性能测试结果表明,与直接在Al₂O₃基片上生长的PZT薄膜相比在TiO₂缓冲层上生长的PZT薄膜,矫顽场约降低了一倍（ 2Ec=40KV/cm）,剩余极化值约提高了4倍（2Pr= 116μC/cm²）,漏电流密度约减小了一个数量级。这些结果初步验证了缓冲层的作用,为进一步实现PZT与GaN的集成奠定了基础。最后,通过采用MgO缓冲层使立方钙钛矿结构的PZT铁电薄膜在六方纤锌矿结构的GaN上实现了沿（110）取向的外延生长,采用TiO₂缓冲层使PZT薄膜在GaN上实现了沿（111）取向的外延生长,部分实现了在GaN上对PZT薄膜的取向控制,实现了PZT和GaN的一体化集成。XRD分析和性能测试的结果表明使用缓冲层能降低PZT薄膜的生长温度,在500℃实现PZT薄膜在GaN上的集成生长,同时也显著地提高了薄膜的铁电性能。性能测试结果表明,生长在MgO缓冲层上的PZT薄膜在经过106翻转后PZT薄膜的剩余极化强度开始出现下降,薄膜矫顽场（2Ec）为70KV/cm,剩余极化（2Pr）约为64μC/cm²,在1V电压下薄膜的漏电流密度为7*10-6A/cm²。生长在TiO₂缓冲层上的PZT薄膜在经过107翻转后PZT薄膜的剩余极化强度开始出现下降,薄膜矫顽场（2Ec）为350KV/cm,剩余极化（2Pr）约为96μC/cm²,在1V电压下薄膜的漏电流密度为1.5*10-7A/cm²。本文采用TiO₂或MgO缓冲层在GaN/Al₂O₃上实现了PZT铁电薄膜取向可控的生长,有效地减低了生长温度,提高了铁电薄膜的电性能,为最终实现集成薄膜性能的一体化和调制耦合效应提供了实验基础。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章概述  10-24
  1.1 引言  10
  1.2 铁电材料 PZT 概述  10-15
  1.3 半导体材料 GaN 概述  15-18
  1.4 铁电/半导体集成薄膜的研究现状  18-19
  1.5 论文选题及研究方案  19-24
第二章薄膜的制备及结构、性能表征方法  24-33
  2.1 PZT 薄膜的制备方法  24-25
  2.2 脉冲激光沉积及其系统简介  25-27
  2.3 薄膜微观结构的表征  27-30
    2.3.1 X 射线衍射分析(XRD)  27-29
    2.3.2 原子力显微镜(AFM)  29-30
  2.4 PZT 薄膜的性能表征方法  30-33
    2.4.1 PZT 薄膜电滞回线和疲劳特性的测量  31
    2.4.2 PZT 薄膜绝缘性能（漏电流）的测量  31-33
第三章蓝宝石 Al_2O_3衬底上 PZT 薄膜的生长研究及性能测试  33-52
  3.1 底电极在 Al_2O_3上的生长研究  33-42
    3.1.1 Pt 电极在 Al_2O_3上的生长研究  35-40
    3.1.2 SrRuO_3电极在 Al_2O_3上的生长研究  40-42
  3.2 Al_2O_3基片上 PZT 薄膜的生长研究及性能测试  42-51
    3.2.1 Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3陶瓷靶材的制备  42-44
    3.2.2 在 Al_2O_3基片上 PZT 薄膜的生长研究  44-47
    3.2.3 在 Al_2O_3基片上 PZT 薄膜的性能测试  47-51
  3.3 本章总结  51-52
第四章 Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3与 GaN 集成结构研究  52-61
  4.1 在 GaN 上直接生长 PZT 薄膜的生长研究及性能测试  52-54
  4.2 在 GaN 上使用缓冲层生长 PZT 薄膜的生长研究及性能测试  54-60
    4.2.1 在 GaN 上使用 MgO 缓冲层生长 PZT 薄膜的生长研究及性能测试  55-57
    4.2.2 在 GaN 上使用 TiO_2缓冲层生长 PZT 薄膜的生长研究及性能测试  57-60
  4.3 本章总结  60-61
第五章结论  61-63
致谢  63-64
参考文献  64-68
攻硕期间取得的成果  68-69

Pb（Zr_（0.52）Ti_（0.48））O_3铁电薄膜与GaN/Al_2O_3集成生长与性能研究

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