導(dǎo)電氧化物L(fēng)aNiO-,3-薄膜的生長及鐵電集成性研究.pdf

1、近年來，鐵電薄膜由于其在集成電路和其它功能器件中的應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注。在這些應(yīng)用中，制備供集成鐵電薄膜的優(yōu)質(zhì)底電極就顯得尤為重要。作為一種合適的侯選電極材料，LaNiO3(LNO)的晶體結(jié)構(gòu)是一種贗立方的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。其晶格常數(shù)為3.84A，與目前廣泛研究的鐵電薄膜(PZT、BST等)具有類似的晶體結(jié)構(gòu)和良好的晶格匹配性。它在室溫下的電阻率為225μΩ.cm。同時，該材料還具有高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，因而被公認(rèn)為鐵電薄膜器件理想的電極材

2、料之一。因此，開展LNO薄膜電極的制備和相應(yīng)的鐵電薄膜集成性的研究具有重要的應(yīng)用價值。本文利用激光脈沖沉積方法(Pulsedlaserdeposition)在不同的工藝條件下(如：氣氛、襯底溫度、激光的能量等)在不同氧化物基片上制備了LNO薄膜，對其生長以及和典型鐵電材料BaTiO3薄膜的集成性等方面展開了系統(tǒng)的探討和研究，并取得了一些成果。 首先，通過原位高能電子衍射(RHEED)及X光電子能譜(XPS)研究了氧分壓對LNO導(dǎo)

3、電薄膜微結(jié)構(gòu)的影響，并進一步提出了氧分壓對LNO薄膜微結(jié)構(gòu)的影響的機理。我們發(fā)現(xiàn)在較低的真空度下，即氧分壓處于2×10-4Pa和3×10-3Pa之間，LNO晶格中的一個O2-將會轉(zhuǎn)移兩個電子給兩個Ni3+，并且移動到薄膜表面形成O2被泵抽走，從而導(dǎo)致鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的垮塌，其相應(yīng)的RHEED圖樣呈現(xiàn)出清晰而明亮的點，表明表面為較為粗糙的三維島狀結(jié)構(gòu)。隨著膜厚增加而超過約30nm的臨界厚度時，越來越多的晶格氧會移動到了薄膜表面，此時所提供的氧將

4、使得后續(xù)生長的LNO膜層重新形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，并以層狀方式外延生長。當(dāng)氧分壓在臨界值以上時，LNO薄膜在整個沉積過程中(膜厚小于30nm)的RHEED圖樣是條紋狀，表明層狀方式外延生長的特征。在此過程中，如將高的氧分壓再次抽至臨界值以下時，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LNO薄膜發(fā)生分解，其相應(yīng)的RHEED圖樣也變成了點狀。所以，氧分壓在LNO薄膜的生長過程中是決定薄膜微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。并且由氧分壓所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變化是可逆的。其次，在優(yōu)化的工藝條件下，分別在

5、MgO(100)、STO(100)及LAO(100)單晶基片上制備了高度(ll0)及(001l)取向的LNO薄膜。在和LNO薄膜具有較大晶格失配度的MgO(100)基片上，首次成功制備了具有雙晶外延結(jié)構(gòu)的LNO薄膜底電極，為實現(xiàn)鐵電薄膜在微波器件上的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。在STO(100)及LAO(100)基片上，LNO是以“cubic-on-cubic”的方式外延生長的。同時通過電學(xué)表征發(fā)現(xiàn)，在不同基片上制備的外延LNO薄膜的電阻率都符合在

6、其上集成鐵電或介電材料的要求。 最后，通過以不同取向的外延LNO底電極層為誘導(dǎo)層，分別制備得到具有不同取向的BTO(001)/LNO(001)/STO(001)、BTO(110)/LNO(110)/MgO(100)以及BTO(111)/LNO(111)/STO(111)外延鐵電多層薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過C-V、PFM和P-E等介電、鐵電性能的測試和分析，我們發(fā)現(xiàn)(001)取向的BTO薄膜具有最大的面外極化強度(2Pr=39.818μ