PHT铁电薄膜的制备与性能分析

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1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅

2、。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日摘要摘要铁电薄膜材料是具有介电、压电、热释电、铁电等性质的功能材料，被广泛应用于集成电子学、微电子学、微机电系统、光电子学等重要领域。铁电薄膜是非易失性随机存储器(NVRAM)的重要组成部分。随着现代科学技术和信息处理技术的高速发展，对NVRAM是的存储密度、稳定性及使用寿命都有了越来越高的要求。虽然传

3、统的铁电材料(PZT、SBT等)的制备技术已很完善，但其在工业应用方面还存在一些问题，如铁电疲劳、制备温度高等。探索可用于NVRAM的新型高性能铁电材料越来越重要。钙钛矿结构Pb(HfxTi1-x)O3(PHT）铁电薄膜具剩余极化强度高、矫顽场低、介电常数大、成分可调、抗疲劳特性好等优点，可作为NVRAM的候选铁电材料。本论文以钙钛矿结构的铁电薄膜PHT为研究对象，对PHT与半导体材料(Si、GaN)的集成结构进行了系统的研究。主要开展了以下工作：探索Pt(111)/TiO2/SiO2/Si衬底

4、上PHT薄膜的最优生长工艺；在Al2O3衬底上研究缓冲层对PHT薄膜微观结构及性能的影响，并研究不同底电极对PHT薄膜的影响；初步探索铁电薄膜PHT与半导体GaN集成结构的性能。1、首先在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上采用PLD法制备PHT薄膜，探索PHT的最优制备工艺。制备铁电电容结构(MIM)，研究PHT薄膜的本征电学性能。研究发现，生长过程中氧分压和生长温度对PHT薄膜的择优取向、铁电极化及漏电流都有显著的影响。然后引入低温自缓冲层技术，有效改善薄膜的微观结构和电学性能。此外，本论文

5、还对比了不同生长温度的自缓冲层对PHT薄膜的微观结构及电学性能的影响，发现插入300℃自缓冲层得到沿(111)取向的高质量外延PHT薄膜，薄膜晶粒大小均匀，且表面平整、结构致密。与600℃直接沉积的PHT薄膜相比，300℃自缓冲层下外延薄膜的漏电流密度降低了3-4个数量级，剩余极化2强度提高到63μC/cm，矫顽场强降低至190kV/cm，抗疲劳特性也得到了显著改善。2、对比研究了Al2O3衬底上直接和用MgO缓冲沉积PHT薄膜的微观结构，发现插入MgO缓冲层可使得PHT薄膜沿(111)择优取向

6、生长，且薄膜结晶质量良好，表面平整致密。然后对比Pt和SRO底电极对Al2O3衬底上沉积的PHT薄膜的微结构与电学性能的影响，发现由于SRO与PHT都为钙钛矿结构且具有相似的晶格常数，且SRO中的氧原子对PHT薄膜中的氧空位起到一定的补偿作用，可以减少薄膜中的缺陷，SRO下电极上沉积的PHT薄膜具有更好的绝缘特性、I摘要更高的剩余极化强度、更强的抗疲劳特性。最后选用SRO为底电极，研究了MgO缓冲层对PHT薄膜电学性能的影响。3、对GaN衬底上制备的PHT薄膜进行了研究。发现在MgO缓冲作用下实

7、现了PHT(111)薄膜在GaN衬底上的外延生长，且延续了MgO在GaN上生长的外延关系：PHT(111)//MgO(111)//GaN(0002)；PHT[1-10]//MgO[1-10]//GaN[11-20]。分别制备Au/Ni/PHT/GaN(MFS)和Au/Ni/PHT/MgO/GaN(MFIS)结构并对其电学性能进行测试。关键词：PHT，铁电，脉冲激光沉积(PLD)，低温自缓冲层，MgOIIABSTRACTABSTRACTWiththedielectric,piezoelectric

8、,pyroelectric,andferroelectricproperties,ferroelectricthinfilmsarewidelyusedinmicroelectronics,integratedelectronics,microelectromechanicalsystem(MEMS),optoelectronics,andotherimportantfields.FerroelectricthinfilmisoneofthemostimportantpartsofNon-vol