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《电子科技大学》 2006年
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STO薄膜的非线性介电性质及其微波应用研究

何世明  
【摘要】:SrTiO_3(STO)薄膜在液氮温区具有良好的非线性介电性质,且可与高温超导薄膜,如YBa_2Cu_3O_(7-x)(YBCO)薄膜,组成异质外延多层薄膜,是研制各种高品质压控微波器件的重要材料。 本论文首先开展了STO薄膜的脉冲激光沉积技术(PLD)生长研究,系统研究了各种工艺参数(沉积温度、氧分压、激光能量密度、脉冲频率、原位退火时间等)以及基片(基片种类、基片台阶结构等)对STO薄膜微观结构影响的规律,优化了STO薄膜的生长工艺,制备出了高质量的STO薄膜;并在此基础上,提出了采用基片斜切处理和间隙式沉积相结合的方法,实现了STO薄膜的二维层状异质外延生长,获得了结晶良好、表面平整的STO外延薄膜,当薄膜厚度为300nm时,薄膜均方根表面粗糙度RMS=0.25nm,达到了原子级平整。为STO/YBCO集成薄膜的生长奠定了基础。 在工艺参数优化的基础上,本论文还系统研究了STO薄膜介电性质与微观结构的关系,重点讨论了晶粒尺寸、薄膜应力等对STO薄膜非线性介电性质的影响。研究结果表明:晶粒尺寸较大的STO薄膜,体现出较强的非线性介电性质;当STO薄膜存在压应力时,薄膜在应力方向的非线性介电性减弱,当STO薄膜存在张应力时,薄膜在应力方向的非线性介电性增强。这些研究结果为优化STO薄膜非线性介电性质提供了必要的理论依据。 作为氧化物薄膜,氧空位必然对STO薄膜的非线性介电性质产生影响,为此本论文还系统研究了氧空位浓度对STO薄膜介电性质的影响。实验发现:含有较高浓度氧空位的STO薄膜,其非线性介电性较高,但是耐压能力下降,而含有较低浓度氧空位的STO薄膜,其非线性介电性较低,但是耐压能力较强,为此,本论文提出了通过在STO薄膜生长过程中连续改变沉积氧分压的办法,制备出了氧空位浓度梯度变化的STO薄膜,该薄膜体现出良好的非线性介电性和抗电强度,具有较大的实用价值,目前尚未见报导。 为了定量研究STO薄膜的介电性质,本论文在总结介质薄膜覆盖的叉指电容计算方法的基础上,利用有限元建模,分析了高介电常数铁电薄膜叉指电容器的特性,优化了叉指电容拓扑结构,从而提高电容可调率。研究发现:当薄膜介电常数为基片介电常数3倍以上时,叉指电容量与薄膜介电常数近似成线性关系;
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TB383.2

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