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PT系铁电薄膜生长及其性能研究

作　者: 张才建
导　师: 张鹰
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 射频磁控溅射分子束外延 PZT XRD 电滞回线
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

由于具有高的剩余极化强度、较大的热释电系数和介电常数,PT系铁电薄膜如锆钛酸铅Pb(Zrx,Ti1-x)O3(PZT)和钛酸铅PbTiO3(PTO)被广泛用于非易失性铁电存储器、铁电场效应晶体管、热释电红外探测器等器件。本文采用射频磁控溅射和分子束外延两种方法研究PT系铁电薄膜的生长工艺与晶相结构、表面形貌和电学性能的关系,探索并优化在低温低氧条件下生长高质量PT系铁电薄膜的工艺方法。首先,使用射频磁控溅射在Pt/Si基片上制备了非晶的PZT薄膜,通过快速热处理研究了退火温度和升温速率对薄膜结晶质量的影响。研究表明,PZT铁电薄膜的最佳退火温度为600-750°C,温度过低难以使薄膜得到充分晶化,温度过高会使薄膜中的Pb组分过度挥发。随着退火温度的提高,PZT薄膜的取向由(100)变为(110)再变为(111),说明退火温度是提供PZT薄膜晶化动能的重要因素。退火中升温速率越慢,PZT薄膜沿(100)面择优生长越明显;当升温速率变快,薄膜开始沿(110)面择优生长;当升温速率进一步变快,薄膜开始沿(111)面择优生长。这是因为升温速率的差异导致了薄膜成核机制的不同。升温速率慢,PZT薄膜以同质成核为主,易形成(100)面择优生长;而升温速率变快,PZT薄膜以异质成核为主,易形成(111)面择优生长。在适当范围内,生长温度和退火温度越大,PZT薄膜的铁电性越好;随着升温速率变慢,PZT薄膜的铁电性进一步变好(300°C生长、10°C /S升温、650°C退火得到的PZT铁电薄膜,其2Pr约为133.8μC/cm2,矫顽场约为66.1KV/cm)。然后,在低氧和较低温度条件下使用分子束外延在Pt/Si和SrTiO3基片上生长了PTO薄膜,生长过程用反射式高能电子衍射仪(Reflection High-Energy Electron Diffraction, RHEED)进行原位监控。XRD的测试表明在Pt/Si基片上长出了沿(111)面择优取向的高质量PTO薄膜,而SrTiO3基片上长出了沿(001)面择优取向的高质量PTO薄膜(其FWHM值低至0.054°,结晶质量非常好),两者均为单晶外延薄膜且具有一定的铁电性。最后,通过对比,研究TiO2缓冲层诱导PTO薄膜在GaN基片上生长。生长过程用RHEED进行原位监控,结果表明薄膜生长模式以层状生长为主,局部为岛状生长,XRD测试结果显示在GaN基片上长出了沿(00l)面择优取向的PTO薄膜,说明TiO2缓冲层可以有效地诱导PTO薄膜在GaN基片上的生长,实现PTO/GaN的集成。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章引言  11-20
  1.1 材料的铁电性  11-14
    1.1.1 材料铁电性概述  11-12
    1.1.2 铁电体的主要特征  12-14
  1.2 PT 系铁电材料概述  14-17
    1.2.1 PT 系铁电材料的结构  14-15
    1.2.2 PT 系铁电薄膜的性能及应用  15-17
  1.3 铁电材料的研究前沿  17-18
  1.4 论文选题及研究方案  18-20
第二章薄膜制备和结构、性能表征方法  20-29
  2.1 铁电薄膜制备方法简介  20-22
    2.1.1 射频磁控溅射  20
    2.1.2 脉冲激光沉积法  20-21
    2.1.3 金属有机物化学气相沉积  21
    2.1.4 溶胶-凝胶法  21
    2.1.5 分子束外延  21-22
  2.2 薄膜表面及微观结构的表征  22-27
    2.2.1 X 射线衍射原理  22-23
    2.2.2 反射式高能电子衍射  23-25
    2.2.3 扫描电子显微镜工作原理  25-26
    2.2.4 能量色散X 射线荧光法工作原理  26
    2.2.5 透射电子显微镜工作原理  26-27
  2.3 铁电测试原理与电路  27-29
第三章射频磁控溅射制备PZT 薄膜及其结构、性能研究  29-48
  3.1 实验设备  31-32
  3.2 PZT 薄膜的制备过程与工艺条件  32-33
  3.3 PZT 薄膜的晶化方法  33-34
  3.4 快速退火处理(RTA)对PZT 薄膜结构取向的影响  34-41
    3.4.1 退火温度  34-37
    3.4.2 升温速率  37-41
  3.5 PZT 薄膜的SEM 和EDX 分析  41-43
  3.6 PZT 薄膜的电滞回线分析  43-45
  3.7 介电特性测试与浅析  45-46
  3.8 小结  46-48
第四章分子束外延制备PTO 薄膜及其结构、性能研究  48-63
  4.1 分子束外延概述  48-49
    4.1.1 分子束外延发展历史  48
    4.1.2 分子束外延原理及生长过程  48-49
  4.2 分子束外延设备  49-50
  4.3 PTO 薄膜的制备  50-51
  4.4 在Pt/Si 基片上生长PTO 薄膜  51-54
    4.4.1 实验条件  51-52
    4.4.2 实验测试与分析  52-54
  4.5 在STO 基片上生长PTO 薄膜  54-58
    4.5.1 实验条件  54
    4.5.2 实验测试与分析  54-58
  4.6 在GaN 基片上生长PTO 薄膜  58-60
    4.6.1 实验条件  58-59
    4.6.2 实验测试与分析  59-60
  4.7 缓冲层诱导实现PTO/GaN 集成初探  60-62
    4.7.1 实验条件  60-61
    4.7.2 实验测试与分析  61-62
  4.8 小结  62-63
第五章结论  63-65
致谢  65-66
参考文献  66-69
攻硕期间的研究成果  69-70

PT系铁电薄膜生长及其性能研究

内容摘要

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