硅基择优取向铌酸锶钡薄膜的磁控溅射沉积研究

论文摘要

四方钨青铜结构的铌酸锶钡（Strontium Barium Niobium SBN）以其较大的线性电光系数、较高的光折变性能灵敏度和热释电系数广泛应用于电光调制器、全息成像存储器和红外热释电探测器等方面。透明导电薄膜氧化铟锡（ITO）作为光电子科技领域的主要光学材料之一，已经广泛应用于太阳能电池透明电极、体液晶显示器PLCD、电磁屏蔽层、飞机和汽车风挡防霜雾玻璃、建筑用节能玻璃窗等诸多领域。SBN和ITO具有广阔的应用前景，因此对于这两种材料的制备及性能表征将在光电子材料与器件领域具有重要的作用。SBN与单晶硅（Silicon Si）晶格失配率较大，无法在Si衬底上直接生长出择优取向的SBN薄膜，以铌酸锶钡钾（Possium Strontium Barium Niobium KSBN）做缓冲层解决了二者失配率大的问题，利用射频磁控反应溅射沉积法成功地在Si衬底上生长出了高择优取向的SBN薄膜。用X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、半导体参数分析仪等测试工具对所沉积薄膜的结构和电学性能进行了表征。结果发现，SBN薄膜的择优取向生长与氮氩气压比PN2／PAr、溅射气压Ps、衬底温度Ts和射频功率P和退火温度均有很大关系。在PAr／Po2=2∶1，P=300W，Ts=300℃，Ps=1.0Pa，退火温度Ta=800℃的条件下，SBN薄膜c轴择优取向达到最佳；生长出来的薄膜的表面平均粗糙度最低，晶体颗粒均匀，为生长高质量的硅基SBN薄膜提供了实验依据；此外，根据半导体参数分析仪对ITO／SBN／Si结构的电流一电压（Ⅰ-Ⅴ）测量，发现在Si和SBN界面之间存在着p-n结效应，且结效应的强弱与结晶性能的好坏和是否有缓冲层KSBN相关。利用磁控溅射法在Si衬底和玻璃衬底上生长出了高透过率和低电阻的ITO。通过X射线衍射仪，透过率测试仪和反射率测试仪，对ITO薄膜的微结构和光学电学性能进行了表征。研究发现退火温度对ITO的影响非常明显，在200℃退火时ITO薄膜的透过率和电阻率都开始得到了明显改善。退火温度为300℃时ITO薄膜的透过率进一步提高，电阻率进一步下降，但更高的退火温度400℃对ITO薄膜性能没有了更好的改善。氧氩气压比例大于1∶120时ITO薄膜的电阻率明显变大，工作气压大于1.0Pa的时候ITO薄膜的电阻率也会明显变大。实验发现利用磁控溅射法低温（200℃和100℃）制备ITO薄膜时，在玻璃衬底上ITO的电阻率变化很大，同一衬底上的ITO薄膜的电阻不均匀，而在高温（300℃和400℃）时则没有这种现象。这可能是衬底温度过低影响了ITO溅射粒子在衬底上的迁移，同时溅射粒子不同的入射角度也对ITO电阻值有影响，从而导致电阻不均匀。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 铁电材料
• 1.1.1 铁电材料铌酸锶钡的物理性能
• 1.1.2 铌酸锶钡材料的应用
• 1.2 铌酸锶系列薄膜的研究现状
• 1.2.1 铌酸锶钡（SBN）薄膜
• 1.2.2 钾钠铌酸锶钡（KNSBN）
• 1.2.3 钾铌酸锶钡（KSBN）
• 1.2.4 铌酸锶钙钠（SCNN）
• 1.3 ITO透明导电薄膜
• 1.3.1 ITO薄膜的电学性质:
• 1.3.2 ITO薄膜的光学性质:
• 1.3.3 ITO薄膜的制备
• 1.3.4 ITO薄膜作为铁电材料的电极的研究
• 1.4 本文的研究内容和创新点
• 第二章 薄膜的制备及性能测试
• 2.1 磁控溅射技术
• 2.1.1 磁控溅射原理
• 2.1.2 射频磁控溅射系统及工艺流程
• 2.2 sol-gel制备法
• 2.3 薄膜性质测试
• 2.3.1 原子力显微镜
• 2.3.2 X射线衍射分析
• 2.3.3 透射光谱
• 2.3.4 反射率的测量
• 2.3.5 Ⅰ-Ⅴ曲线的测量
• 第三章 SBN薄膜的制备和性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 SBN薄膜的磁控溅射制备
• 3.2.1 缓冲层KSBN薄膜的制备
• 3.2.2 SBN薄膜的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 晶体结构分析
• 3.3.2 表面形貌分析
• 3.3.3 电学特性分析
• 3.4 结论
• 第四章 ITO薄膜的制备及光学和电学特性的研究
• 4.1 透明电极ITO薄膜的制备
• 4.1.1 ITO薄膜的制备
• 4.2 工艺参数对ITO薄膜光学和电学性能的影响
• 4.2.1 衬底温度对ITO薄膜光学和电学性能的影响:
• 4.2.2 退火温度对ITO薄膜的光学和电学性能的影响
• 4.2.3 工作气压对ITO薄膜的光学和电学性能的影响
• 4.3 ITO薄膜的反射率的测量和红外波段透过率的测量
• 4.4 ITO薄膜的晶体结构研究
• 第五章 总结与展望
• 5.1 对已完成工作的总结
• 5.2 存在的问题与发展方向
• 5.2.1 关于改进溅射工艺的建议
• 5.2.2 对下一步工作提出的建议
• 致谢