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PT系铁电薄膜生长及其性能研究

张才建  
【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。


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