錫酸鹽基透明導(dǎo)電膜及其在全鈣鈦礦鐵電薄膜器件中的應(yīng)用.pdf

1、透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜以摻Sn的In2O3(ITO)、摻Al的ZnO(AZO)、摻Sb的SnO2(ATO)等為代表，是一種重要的光電信息材料。由于在可見光的范圍內(nèi)具有很高的光透過率，其電阻率又接近金屬的數(shù)值，這使得TCO薄膜材料成為應(yīng)用范圍廣且最具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的功能薄膜材料之一。目前的透明導(dǎo)電薄膜廣泛應(yīng)用于平板顯示器、太陽能電池、觸摸屏等領(lǐng)域。近年來，隨著光電子特殊器件的要求，之前研究并應(yīng)用的TCO薄膜性能已經(jīng)越來越不能滿足人們

2、的需求，如真彩液晶顯示器要求TCO膜具有大的光學(xué)禁帶寬度、面接觸式發(fā)射激光器需要TCO在紅外光區(qū)間(特別是1000nm-1500nm)具有很高的光透射率(而ITO在1000nm-1500nm的波長區(qū)間吸收系數(shù)已經(jīng)非常大)等。而對(duì)于透明薄膜器件，單晶TCO薄膜可以和其他薄膜相互外延生長，從而能夠有效的降低界面缺陷對(duì)器件性能帶來的影響。所有這些都預(yù)示著具有特殊應(yīng)用價(jià)值的TCO薄膜應(yīng)該得到人們的高度重視和研究。另一方面，鈣鈦礦型氧化物是一類重

3、要的功能材料，包含有高溫超導(dǎo)、巨磁阻、鐵電、壓電、磁電、光電等眾多的物理性能。全鈣鈦礦薄膜器件由于各層薄膜之間的相互外延生長，很大程度上解決了界面問題，使得器件特性得到了顯著的提高，并呈現(xiàn)出了一些獨(dú)特的功能。因此，尋找并制備具有高質(zhì)量的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)外延TCO薄膜對(duì)TCO材料以及全鈣鈦礦薄膜異質(zhì)結(jié)都具有著重要意義。 鐵電薄膜由于其物理機(jī)制和潛在的在各種微電子器件如非揮發(fā)性動(dòng)態(tài)隨機(jī)存貯器和鐵電場效應(yīng)管上的應(yīng)用，受到了很多的關(guān)注。由于具

4、有較大的直接禁帶寬度，鐵電薄膜在可見光范圍內(nèi)是透明的，而當(dāng)薄膜厚度降低到一定的程度，因?yàn)檠蹩瘴缓碗x子擴(kuò)散等存在，其內(nèi)部存在著比較大的載流子濃度，又可以被當(dāng)作p型半導(dǎo)體材料，因此全透明鐵電薄膜器件被人們寄予極大的期望。然而，高質(zhì)量n型TCO薄膜的嚴(yán)重缺乏，阻礙了該類薄膜器件的研究進(jìn)展。 我們利用激光脈沖沉積(PLD)系統(tǒng)，基于對(duì)BaSnO3和SrSnO3進(jìn)行A位La元素少量摻雜，在SrTiO3(001)基片上成功外延生長了LBSO

5、和LSSO兩種錫酸鹽基n型TCO薄膜。該類薄膜具有贗立方鈣鈦礦單晶結(jié)構(gòu)，以及可見光區(qū)的高透光率和室溫下10-3Ωcm量級(jí)的電阻率。BaSnO3和SrSnO3基TCO薄膜具有不同的近紅外光透光率行為，使得它們可以應(yīng)用于不同的透明薄膜器件中。由于LSSO薄膜的晶胞參數(shù)和PZT和BFO非常匹配，我們成功實(shí)現(xiàn)了LSSO和PZT、BFO的相互外延生長，制備了全鈣鈦礦透明鐵電電容器。實(shí)驗(yàn)表明，我們制備的電容器具有非常好的結(jié)構(gòu)特征和光學(xué)性質(zhì)，并表現(xiàn)出

6、了一些有趣的疲勞特性。而利用較薄的PZT和BFO薄膜當(dāng)作p型半導(dǎo)體，我們又成功制備了PZT/LSSO和BFO/LSSO透明鈣鈦礦p-n結(jié)，這兩種異質(zhì)結(jié)均表現(xiàn)出了優(yōu)秀的整流特性。 本論文總共分五章。 第一章主要介紹了透明導(dǎo)電薄膜的研究現(xiàn)狀。首先我們回顧了傳統(tǒng)TCO薄膜的分類、研究進(jìn)展、應(yīng)用領(lǐng)域及其發(fā)展要求：一方面從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，概括了傳統(tǒng)TCO薄膜的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題，指出了尋找新型TCO薄膜的一些研究方向；另一方面

7、介紹了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物薄膜的一些物理特性，指明尋找和制備具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的TCO薄膜的意義。接著從理論的角度，闡明了TCO薄膜的透明和導(dǎo)電機(jī)制。在這些基礎(chǔ)上，我們分別回顧了透明薄膜器件和鐵電薄膜器件的研究進(jìn)展，并最終指出全鈣鈦礦型透明鐵電薄膜器件的優(yōu)越性和制備的可行性。 第二章主要介紹了本文實(shí)驗(yàn)需要用到的薄膜制備方法和樣品測(cè)試方法，特別對(duì)于幾種重要的實(shí)驗(yàn)手段如X射線衍射的各種掃描方式，倒易空間圖基本原理，從霍爾效應(yīng)測(cè)量結(jié)果分析推導(dǎo)

8、薄膜電輸運(yùn)特性等做了詳細(xì)的介紹。 第三章我們對(duì)La摻雜的BaSnO3外延TCO薄膜進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)表明該類薄膜具有立方鈣鈦礦單晶結(jié)構(gòu)，并具有可見光區(qū)95％以上的透光率以及室溫接近4mΩcm的n型電阻率。相比于傳統(tǒng)的TCO薄膜，LBSO薄膜可以滿足一些新型光電薄膜器件的寬禁帶、鈣鈦礦單晶結(jié)構(gòu)、大的透光窗口等特殊要求。而相比于其他文獻(xiàn)所報(bào)道的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的TCO，LBSO薄膜具有和其他鈣鈦礦功能薄膜更加匹配的沉積參數(shù)以及更大的禁帶

9、寬度，有利于其在全鈣鈦礦薄膜器件中的應(yīng)用。 第四章系統(tǒng)研究了沉積參數(shù)和摻雜濃度對(duì)La摻雜的SrSnO3外延薄膜的結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在SrTiO3(001)基片上生長的LSSO均具有立方鈣鈦礦外延單晶結(jié)構(gòu)以及4.5eV以上的光學(xué)能帶寬度，并表現(xiàn)出良好的n型電輸運(yùn)和透光特性。相比于之前研究的LBSO薄膜，LSSO在600℃制備溫度下依然可以得到良好的外延單晶結(jié)構(gòu)。另外LSSO薄膜的晶胞參數(shù)與PZT、BFO非常

10、匹配，并在紅外光波長范圍內(nèi)依然具有良好的透光率，這些都預(yù)示著LSSO薄膜可以更好地應(yīng)用到全鈣鈦礦透明薄膜器件中。 第五章我們成功實(shí)現(xiàn)了LSSO和PZT、BFMO(BFO)的相互外延生長，制備了透明全鈣鈦礦鐵電薄膜電容器。實(shí)驗(yàn)表明，這兩類電容器具有非常好的結(jié)構(gòu)特征和光學(xué)性質(zhì)，并表現(xiàn)出了較大的矯頑場和較差的抗疲勞特性，我們認(rèn)為這可能和LSSO和鐵電薄膜之間形成了空間電荷區(qū)有關(guān)。為了更深入了解LSSO和鐵電薄膜間的界面問題，利用較薄的