氧化物铁电薄膜生长与界面控制方法研究

论文题目: 氧化物铁电薄膜生长与界面控制方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料物理与化学

作者: 魏贤华

导师: 李言荣

关键词: 铁电薄膜,生长机理,缓冲层,激光分子束外延,反射高能电子衍射

文献来源: 电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 钙钛矿结构的铁电薄膜由于其丰富的物理性质可广泛地被应用于微电子学、光电子学和微电子机械系统等领域，对其制备工艺和生长控制的研究愈加受到重视。本论文基于激光分子束外延的基本原理，围绕氧化物铁电薄膜生长与界面控制方法进行了系统的研究，并取得了一系列有意义的结果，主要包括以下内容： 通过对钙钛矿结构的SrTiO3（STO）同质外延的研究表明，薄膜的沉积速率、表面状态与生长模式可以通过实验参数控制。沉积速率与激光重复频率成正比，在一定的范围内与激光能量密度有线性关系；薄膜在沉积速率～温度相图中呈现出不同的生长模式，温度越高、速率越低，薄膜趋于层状生长，温度越低、速率越高，薄膜趋于岛状生长甚至无法结晶；若保持较低的沉积速率，层状生长的薄膜可以在很低的沉积温度（～300℃）下取得。其次，反射高能电子衍射（RHEED）原位监测退火时衍射强度的恢复时间，表明原位退火能改善表面，并研究了温度对表面扩散的影响，计算出活化能约为0.30eV，与典型的离子型化合物相当，因而认为表面的迁移单元为STO原胞。表面扩散还受表面自身粗糙度的影响，当沉积的薄膜较薄，其表面与初始状况差异不大时，退火能基本恢复表面，如沉积的薄膜过厚，只能部分程度地恢复表面。 通过对同质外延中的RHEED图像的精细分析，获知当STO薄膜以二维层状模式生长时，RHEED强度、薄膜晶格常数与衍射条纹的半高宽（FWHM）有相同周期的振荡，晶格常数的振荡是由于重构表面与薄膜之间的界面造成的，而FWHM振荡与岛边界的弛豫相关；此外，还首次观察到了由于等离子体造成初始衍射条件的变化，从而导致衍射束的RHEED强度振荡存在相位的差异。 对于较小失配度的异质外延氧化物体系（＜5％），能在很宽的实验条件下实现cube-on-cube的层状外延生长，其临界厚度除受自身的失配度影响，由于高温有利位错的形成，因而还随着温度的升高而减小：同等失配度下，薄膜受张应力时晶格弛豫的速率比受压应力时更慢，这是由离子键的非谐性决定的，因而界面应力为张应力时，薄膜在较大厚度内更容易按照层状的方式来生长。随着失配度的加大，界面能更高，晶体生长很难继续保持层状生长，而需要通过三维岛的方式来释放界面能，岛的大小和高度可以通过控制以此来构造纳米岛；失配度加大到一定值时，将会使得晶粒的生长不再有利于cube-on-cube生长方式，薄膜往往采取倾斜、旋转或近重位点阵以减小与基片的失配。在等同的大失配度情况下，界面应力为压应力时的薄膜更容易保持cube-on-cube取向生长。首次原位观察到了薄膜以面内旋转匹配基片生长时，近重位点阵晶格的弛豫行为。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 铁电薄膜生长

1.2.1 晶体取向与性能

1.2.2 铁电薄膜沉积工艺

1.2.3 研究进展

1.2.3.1 铁电薄膜的外延生长机制研究

1.2.3.2 集成铁电中的缓冲层研究

1.3 论文选题及研究方案

第二章 实验方法与原理

2.1 激光分子束外延原理

2.2 设备简介

2.3 原位的反射高能电子衍射

2.3.1 单晶薄膜表面的电子衍射

2.3.1.1 单晶薄膜RHEED的主要信息

2.3.1.2 RHEED与生长模式

2.3.1.3 RHEED衍射图案分析

2.3.2 多晶薄膜表面的电子衍射

2.3.2.1 单轴织构薄膜的电子衍射

2.3.2.2 双轴织构薄膜的电子衍射

2.4 薄膜的后位分析与表征方法

2.4.1 结构分析

2.4.2 形貌分析

2.4.3 表面分析

2.4.4 透射电子显微镜分析

2.5 薄膜的电畴表征及电性能测试

2.5.1 PFM的表面电畴成像技术

2.5.2 介电性能测试

第三章 STO薄膜同质外延的生长研究

3.1 引言

3.2 基片处理

3.3 激光能量密度

3.4 生长温度

3.5 沉积速率

3.6 STO同质外延的生长模式控制

3.7 表面扩散与表面弛豫

3.8 反射高能电子衍射图案分析

3.8.1 STO基片的衍射

3.8.2 STO同质外延过程中的衍射

3.8.3 RHEED强度振荡的相位移现象

3.9 小结

第四章 氧化物薄膜异质外延的生长研究

4.1 引言

4.2 正失配时的氧化物异质外延

4.2.1 BTO／STO异质外延(2.2％)

4.2.2 MgO／STO异质外延(7.8％)

4.2.3 MgO／LAO异质外延(11％)

4.3 负失配时的氧化物异质外延

4.3.1 STO／BTO异质外延(-2.2％)

4.3.2 STO／MgO(-7.2％)

4.3.3 LNO／MgO(-8.8％)异质外延

4.4 小结

第五章 氧化物薄膜在硅基片上的生长行为研究

5.1 引言

5.2 硅的表面

5.3 BTO直接在硅基片上的生长

5.3.1 BTO／Si薄膜的结晶与成核

5.3.2 BTO／Si薄膜的界面扩散机制

5.4 MgO／Si的生长

5.5 CeO_2／Si的生长行为

5.6 氧化物薄膜在硅基片上的生长热力学

5.7 小结

第六章 BTO铁电薄膜在硅基片上的取向控制生长及其电性能初探

6.1 引言

6.2 BTO在缓冲硅基片上的生长

6.2.1 MgO／Si缓冲层

6.2.2 CeO_2／Si缓冲层

6.3 BTO薄膜的性能测试

6.3.1 底电极的选择

6.3.2 PFM对电畴的观察

6.3.3 介电特性测试结果分析与讨论

6.4 小结

主要结论与创新点

参考文献

致谢

个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文

个人简历

在读期间已发表和待发表的论文

已授权和申请中的专利

发布时间: 2006-11-28

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