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《中国科学院上海冶金研究所》 2001年
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非制冷红外探测器用PbTiO_3系铁电薄膜的Sol-Gel法制备及性能研究

符小荣  
【摘要】: 近年来,将铁电薄膜与半导体电路相集成并研制红外热释电阵列,得到了各 国的高度重视。本文围绕铁电薄膜制备技术和红外探测器件研制过程中相关的若 干关键问题,开展了三方面的研究工作。其一,以Sol-Gel法制备出适合非制冷红 外探测器件用的高质量铁电薄膜;其二,MgO薄膜过渡层的制备和PLCT/MgO/Si 结构的电学性能研究;其三,(100)取向富锆PZT铁电薄膜以及(100)取向PLCT铁 电薄膜的结构与相关物理性能的研究。 首次采用无机盐硝酸镁为起始原料,以胶棉液和无水乙醇为混合溶剂,成功 地以一种新型、简单的Sol-Gel法制备出MgO薄膜。系统研究了胶棉液与退火温 度对MgO薄膜结构与形貌的影响,MgO薄膜厚度均匀与Si衬底基本没有扩散反 应。但是,薄膜不够致密,有孔洞。 采用简单的压缩空气雾化器并以醋酸镁无机盐代替镁醇盐,制备出(100)取向 的MgO薄膜。研究发现,薄膜沉积温度以及氧载气流量对薄膜取向影响最大。衬 底温度为600℃、氧载气流量为2.5L/min时,得到(100)取向的MgO薄膜,薄膜质 量较SOl-GOl法制备的MgO有较大提高。对Au/PLCT/MgO/Si薄膜的结果表明, 在过渡层薄的MgO(150nm)上生长的PLCT薄膜具有更好的铁电性能, PLCT/(150nm)MgO/Si薄膜的存储窗口值为0.4V。在低场下,薄膜的Ⅰ-Ⅴ特性满 足欧姆定律,在中、强场时,薄膜的导电机理发生改变。 目前国际上对富锆(100)取向PZT薄膜的研究很少见,我们采用Sol-Gel法在 (111)Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上成功制备出高度(100)取向的PZT80/20和PZT85/15铁电薄 膜和随机取向的PZT70/30薄膜。(100)取向PZT薄膜的介电常数较随机取向PZT 薄膜稍大,介电损耗小于随机取向PZT薄膜。同时,薄膜具有优良的铁电性能; PZT85/15薄膜的2P_r和2E_c分别为41μC/cm~2和111KV/cm。 采用Sol-Gel法制备出(100)取向的掺杂Ca和La的PLCT薄膜,详细研究了 薄膜组成、薄膜厚度和退火温度对PLCT薄膜取向及电学性能的影响。制备出了 低介电常数和低介电损耗的适合于非制冷红外探测器用的PLCT薄膜,并测出了 (100)PLCT/Pt/Ti/SiO_2/Si结构薄膜的热释电系数。结果表明,控制薄膜组分和厚度 制备出高度(100)取向的PLCT薄膜。(100)取向的PLCT薄膜较随机取向PLCT薄 膜具有更小的介电常数和介电损耗。厚度为0.6μm/PLCT68/17/15薄膜经600℃、1 小时退火后,薄膜为(100)取向,其ε_r和tanδ分别为274.6和0.0266,2P_r和2E_c分 别为12.3μC/cm~2和10.7KV/cm,薄膜可作为红外探测器用的铁电材料。目前,对 fM、.Wm-hLt MH PLCT薄膜的导电机理的研究还未见报道,本文对此洲了详细的研究。另到、。 首次报道了 PLCT68/17八/Ti侣 用薄膜的热释电系数,薄膜经 10V直流电压 极化川分钟后,测出薄膜的热释电系数在 3 x 10-丫儿m‘K左右,此时薄膜的电压 响应优值Fv和探坝率优值 F。分别为 0.ZIx 10“Corn/J和 0、36 x 10-’CCIn/J。探坝器 的研究工作正在进行之中。
【学位授予单位】:中国科学院上海冶金研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TN215

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