錫酸鹽基透明導電膜及其在全鈣鈦礦鐵電薄膜器件中的應用.pdf

1、透明導電氧化物(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薄膜材料成為應用范圍廣且最具有商業(yè)應用價值的功能薄膜材料之一。目前的透明導電薄膜廣泛應用于平板顯示器、太陽能電池、觸摸屏等領域。近年來，隨著光電子特殊器件的要求，之前研究并應用的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器件性能帶來的影響。所有這些都預示著具有特殊應用價值的TCO薄膜應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、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)出了一些獨特的功能。因此，尋找并制備具有高質(zhì)量的鈣鈦礦結構外延TCO薄膜對TCO材料以及全鈣鈦礦薄膜異質(zhì)結都具有著重要意義。 鐵電薄膜由于其物理機制和潛在的在各種微電子器件如非揮發(fā)性動態(tài)隨機存貯器和鐵電場效應管上的應用，受到了很多的關注。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，而當薄膜厚度降低到一定的程度，因為氧空位和離子擴散等存在，其內(nèi)部存在著比較大的載流子濃度，又可以被當作p型半導體材料，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薄膜的嚴重缺乏，阻礙了該類薄膜器件的研究進展。 我們利用激光脈沖沉積(PLD)系統(tǒng)，基于對BaSnO3和SrSnO3進行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構，以及可見光區(qū)的高透光率和室溫下10-3Ωcm量級的電阻率。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。實驗表明，我們制備的電容器具有非常好的結構特征和光學性質(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薄膜當作p型半導體，我們又成功制備了PZT/LSSO和BFO/LSSO透明鈣鈦礦p-n結，這兩種異質(zhì)結均表現(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、研究進展、應用領域及其發(fā)展要求：一方面從實際應用角度出發(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、介紹了鈣鈦礦結構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構的TCO薄膜的意義。接著從理論的角度，闡明了TCO薄膜的透明和導電機制。在這些基礎上，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驗需要用到的薄膜制備方法和樣品測試方法，特別對于幾種重要的實驗手段如X射線衍射的各種掃描方式，倒易空間圖基本原理，從霍爾效應測量結果分析推導

8、薄膜電輸運特性等做了詳細的介紹。 第三章我們對La摻雜的BaSnO3外延TCO薄膜進行了研究。實驗表明該類薄膜具有立方鈣鈦礦單晶結構，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、鈣鈦礦單晶結構、大的透光窗口等特殊要求。而相比于其他文獻所報道的具有鈣鈦礦結構的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用。 第四章系統(tǒng)研究了沉積參數(shù)和摻雜濃度對La摻雜的SrSnO3外延薄膜的結構、電學和光學性質(zhì)的影響。實驗結果表明，在SrTiO3(001)基片上生長的LSSO均具有立方鈣鈦礦外延單晶結構以及4.5eV以上的光學能帶寬度，并表現(xiàn)出良好的n型電輸運和透光特性。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構。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，這些都預示著LSSO薄膜可以更好地應用到全鈣鈦礦透明薄膜器件中。 第五章我們成功實現(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。實驗表明，這兩類電容器具有非常好的結構特征和光學性質(zhì)，并表現(xiàn)出了較大的矯頑場和較差的抗疲勞特性，我們認為這可能和LSSO和鐵電薄膜之間形成了空間電荷區(qū)有關。為了更深入了解LSSO和鐵電薄膜間的界面問題，利用較薄的