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钛酸铋铁电薄膜及其复合半导体基片的X射线衍射表征

作　者: 张宇
导　师: 左长明
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料学
关键词: Bi4Ti3O12薄膜 GaN薄膜掺杂 X射线衍射电学特性
分类号: O614.411
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 95次
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内容摘要

随着微电子技术与集成电路技术的迅猛发展,人们需要将具有大块铁电性能的薄膜材料利用现代复合技术将不同功能的微尺度材料复合到一块集成板上,构成具有各种优异性能的复合材料体系。因此,铁电薄膜材料及其半导体复合基片的性能与制备的研究一直是国际上广为关注的重要课题之一。铁电薄膜在制备过程中由于与基片的晶格失配和热失配等原因,薄膜中必然会存在一定的残余应力,这些残余应力可能造成薄膜的开裂或翘曲,导致其制作的器件失效。GaN基片的研究目前几乎全部集中在异质材料上外延生长的薄膜,其外延生长过程也不可避免的产生缺陷结构,这些缺陷结构会严重影响GaN薄膜的性能,从而影响各种GaN基器件的性能。另一方面如果能对铁电薄膜中应力的产生机制和控制方法有较深入的理解,同时能对其复合的半导体基片中缺陷结构有较为全面的研究,就有可能通过适当的手段来通过应变效应和缺陷的控制来调制和提高薄膜的性能。因此铁电薄膜中的应力及其复合的半导体基片中的缺陷结构是关于铁电薄膜及其复合半导体基片性能的重要研究内容。本文首先在引言部分对Bi4Ti3O12薄膜和GaN薄膜的应用背景、制备方法以及研究现状进行了评述。基于此,提出了本文的选题依据,即研究Bi4Ti3O12薄膜结构、应力与电学性能的关系是基于“Bi4Ti3O12薄膜的重要应用背景和结构、应力对其电学特性的可能影响以及目前此方面相关研究的不足”,研究GaN薄膜是基于“铁电材料与第三代半导体材料进一步集成的需要”。由于X射线衍射的无损检测特性以及较准确全面的表征特性,选择了X射线衍射作为掺杂Bi4Ti3O12薄膜和GaN薄膜表征的主要手段。本文的重点是采用曲率半径法和倒易空间图对在Si基片上生长的Bi4Ti3O12(BIT)多晶薄膜和SrTiO3基片上生长的B位Hf掺杂Bi4Ti3O12(BTH)单晶薄膜的应力进行了表征,并运用X射线衍射技术的多种测试方法对所得的应力和结构方面的信息进行了细致的分析,然后对薄膜中的应力、薄膜的结构以及性能之间的关系进行了讨论。在对Si基片上生长的BTH多晶薄膜的研究中发现自缓冲层的沉积温度会直接影响到薄膜中的残余应力,并对BTH的结晶取向产生明显的影响。在对SrTiO3基片上生长的BTH单晶薄膜的研究中发现杂质Hf的掺入对薄膜的畴结构和应变产生了明显的影响,并结合这些变化对BTH薄膜剩余极化的增大进行了成功的解释。最后采用高分辨X衍射对有AlN和无AlN模板层的GaN薄膜中的缺陷结构进行了初步的研究。这些研究结果进一步充实了铋系层状结构薄膜及其复合GaN基片的研究内容。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章引言  10-21
  1.1 铁电薄膜  10-14
    1.1.1 铁电薄膜的晶体结构  10-12
    1.1.2 铁电薄膜的研究热点  12
    1.1.3 铁电薄膜的应用  12-13
    1.1.4 铁电薄膜的制备方法  13-14
  1.2 薄膜中的应力  14-16
  1.3 应变效应  16
  1.4 GaN 薄膜  16-19
    1.4.1 GaN 的物理性质  16-17
    1.4.2 GaN 薄膜的应用  17-18
    1.4.3 GaN 的制备方法  18
    1.4.4 生长工艺  18-19
    1.4.5 金属有机化学气相沉积法(MOCVD)  19
  1.5 本论文的选题依据和主要内容  19-21
    1.5.1 选题依据  19-20
    1.5.2 本文的研究内容  20-21
第二章实验平台构建  21-29
  2.1 实验仪器简介  21-22
  2.2 多晶薄膜应力测量的X 射线衍射法及原理  22-23
  2.3 外延薄膜的高分辨X 射线衍射表征方法及原理  23-29
    2.3.1 双晶衍射与三轴晶衍射  24
    2.3.2 实空间的布拉格衍射基本原理  24-25
    2.3.3 倒易空间的基本原理  25-27
    2.3.4 倒易空间的实验扫描模式  27-29
第三章自缓冲层对Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜结构和性能的影响  29-37
  3.1 背景  29
  3.2 实验简介  29-31
    3.2.1 样品的制备  29
    3.2.2 微结构表征与应力测试  29-31
  3.3 实验结果与讨论  31-36
  3.4 小结  36-37
第四章 B 位Hf~(4+)掺杂对Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜结构和性能的影响  37-45
  4.1 背景  37
  4.2 实验简介  37-38
    4.2.1 样品制备  37-38
    4.2.2 微结构与应变表征  38
  4.3 实验结果与讨论  38-44
  4.4 结论  44-45
第五章 GaN 薄膜缺陷结构的高分辨X 射线衍射  45-55
  5.1 背景  45
  5.2 实验  45-46
  5.3 结果与讨论  46-53
    5.3.1 倒易空间图  47-49
    5.3.2 镶嵌结构的测量  49-50
    5.3.3 缺陷密度的测量  50-53
  5.4 小结  53-55
第六章结论与展望  55-57
致谢  57-58
参考文献  58-63
攻硕期间取得的研究成果  63-64

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