透明ZnO薄膜与铁电薄膜的集成研究

【摘要】：基于铁电场效应晶体管的铁电随机存储器具有在断电时不会丢失信息、低功耗、非破坏读取、和快速开关等诸多优点。近年来,透明薄膜晶体管的发展是透明电子学的一个重要的研究方向,可以应用在显示器、智能窗、太阳能电池和军事等领域。将具有存储功能和非破坏读取特性的铁电材料和透明导电薄膜结合起来开发新型的透明铁电场效应管是近年来研究的热点。 本文首先制备了高质量的氧化锌(ZnO)以及掺铝氧化锌(AZO)薄膜,对其微观结构和光学及电学性能进行了系统的研究;然后研究了工艺参数对Pt/Pb(Zr_(0.4)Ti_(0.6))O_3(PZT)/Pt和Pt/BiFe_(0.95)Mn_(0.05)O_3(BFMO)/Pt两种铁电电容器微观结构和电学性能的影响;最后,在高质量的AZO薄膜上生长了PZT、BFMO铁电薄膜,研究了复合薄膜的微观结构和电学性质。主要研究工作如下: 采用磁控溅射方法在蓝宝石(0001)衬底上制备了外延生长的ZnO薄膜。研究了溅射功率、氧含量和衬底温度等工艺参数对于制备的ZnO薄膜的微观结构和光学性质的影响,优化了工艺参数,制备了高质量的ZnO薄膜。ZnO薄膜经过原子力显微镜、X射线衍射仪和可见紫外分光光度计表征,发现ZnO薄膜表面平滑,晶粒尺寸分布均匀,薄膜结晶质量高,在可见光范围内的平均透射率达到90%以上。 在制备出高质量的ZnO薄膜的基础上,使用磁控溅射技术和脉冲激光烧蚀技术分别在蓝宝石(0001)和单晶Si(001)衬底上制备了AZO薄膜,重点研究了生长温度对AZO薄膜微观结构和光学、电学性能的影响,得到了性能良好的AZO薄膜。 使用溶胶-凝胶方法在Pt(111)/TiO_2/Si和LaNiO_3/Pt(111)/TiO_2/Si衬底上制备了PZT薄膜。重点研究了在退火过程中,氧含量、退火温度以及退火时间对制备的铁电电容器微观结构和电学性质的影响。结果表明:在纯O_2气氛下,经600℃退火120 s的PZT薄膜具有较好的结晶质量,Pt/PZT/Pt铁电电容器具有优越的铁电特性;漏电流结果表明当电压小于1 V时为欧姆导电机制,大于1 V时为界面限制的肖特基发射;550℃退火的硅基Pt/PZT/LaNiO_3/Pt铁电电容器具有较大的剩余极化强度(约为44μC/cm~2)。 采用溶胶-凝胶方法在Pt(111)/Tih/SiO_2基片上制备了BFMO薄膜。在空气气氛下,退火温度为650℃时制备了结晶质量良好的BFMO薄膜,Pt/BFMO/Pt铁电电容器的铁电性能良好。在纯氮气气氛下,退火温度为600℃时制备了高质量的BFMO薄膜的,同时电滞回线具有良好的对称性和饱和趋势,10 V电压作用下的剩余极化强度为50μC·cm~(-2),矫顽电压为5 V;4 V电压下的漏电流密度为3×10~(-3) A/cm~2,0-4 V电压范围内的导电机制为欧姆导电。 使用溶胶-凝胶方法在AZO(0002)/Si(001)衬底上分别制备了PZT和BFMO薄膜。结果表明,在0.5 %的氧含量气氛中,经过550℃退火制备了Pt/PZT/AZO铁电电容器,其剩余极化强度为1.3μC·cm~(-2),矫顽电压为2.4 V。在纯氮气气氛中,经过600℃退火2 min的Pt/BFMO/AZO铁电电容器在5 V电压的作用下得到的电滞回线对称性良好,剩余极化强度为3.5μC·cm~(-2),矫顽电压为0.68 V,5 V电压的漏电流密度约为7.8×10~(-3) A/cm~2。电压小于0.7 V时,漏电流机制为欧姆导电机制;大于0.7 V时为界面限制的肖特基发射。