钛铌镁酸铅铁电薄膜氮化镓基外延集成及其制备方法技术

本发明专利技术涉及钛铌镁酸铅铁电薄膜氮化镓基外延集成及其制备方法，所述钛铌镁酸铅铁电薄膜是由通过脉冲激光沉积技术依次形成在氮化镓半导体衬底上的TiO2缓冲层、钴酸锶镧缓冲层以及钛铌镁酸铅铁电薄膜构成；所述氮化镓半导体衬底的取向包括（0002）面，所述钛铌镁酸铅铁电薄膜的外延取向为（111）面，所述钴酸锶镧缓冲层的外延取向为（111）面，所述TiO2缓冲层为金红石相、外延取向为（100）面。

【技术实现步骤摘要】
钛铌镁酸铅铁电薄膜氮化镓基外延集成及其制备方法
本专利技术属于铁电薄膜材料
本专利技术涉及钙钛矿型钛铌镁酸铅铁电薄膜与纤锌矿型氮化镓半导体的外延集成及其制备技术。
技术介绍
基于铁电薄膜与半导体集成技术发展的集成铁电学是目前凝聚态物理、材料科学以及微电子科学的交叉前沿，其在铁电场效应晶体管、铁电存储器和先进传感器领域具有重要的应用前景。在半导体材料领域，氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，其相对于传统的半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的临界击穿场强以及更优异的电输运特性。因此，铁电薄膜与GaN的集成对于开发高性能及多功能GaN基微电子器件具有重要研究价值。目前，GaN基集成铁电器件领域的研究较少，且与GaN集成的铁电薄膜限于少数几种传统铁电材料。钛铌镁酸铅((1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，PMN-PT)是一种典型的钙钛矿型弛豫铁电材料，其在准同型相界附近处具有超高的压电系数(d33～2500pC/N)以及较大的剩余铁电极化强度(Pr～45μC/cm2)。那么，PMN-PT铁电薄膜的铁电极化与GaN半导体的自发极化之间的界面耦合作用能够推动先进GaN基微电子器件的进一步发展。在多数情况下，单晶外延薄膜相对于多晶薄膜具有更优异的物理特性、更好的界面状态以及更强的可控性。然而，由于PMN-PT与GaN具有不同的晶体结构、较大的晶格失配度以及不相容的生长条件，实现PMN-PT与GaN的外延集成仍为重要的挑战。引入缓冲层是解决上述问题的有效手段。然而在目前最常见缓冲层中，SrRuO3/SrTiO3/TiO2异质结缓冲层具有复杂的结构，MgO缓冲层不利于外延底电极的生长，其限制了GaN基集成铁电器件的实际应用。因此，设计一种新型优异的缓冲层来实现PMN-PT铁电薄膜在GaN上的外延集成具有重要的研究意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于，提供一种通过引入结构简单且性能优异的新型缓冲层，实现钙钛矿型PMN-PT铁电薄膜在纤锌矿GaN上外延集成与制备的方法。一方面，本专利技术提供了一种钛铌镁酸铅铁电薄膜，所述钛铌镁酸铅铁电薄膜是由通过脉冲激光沉积技术依次形成在氮化镓半导体衬底上的TiO2缓冲层、钴酸锶镧缓冲层以及钛铌镁酸铅铁电薄膜构成；所述氮化镓半导体衬底的取向包括(0002)面，所述钛铌镁酸铅铁电薄膜的外延取向为(111)面，所述钴酸锶镧缓冲层的外延取向为(111)面，所述TiO2缓冲层为金红石相、外延取向为(100)面。本专利技术创造性地在氮化镓半导体衬底(0002)和钛铌镁酸铅铁电薄膜(外延取向为(111)面)之间引入TiO2缓冲层、钴酸锶镧缓冲层双缓冲层，以实现钛铌镁酸铅铁电薄膜沿着(111)面的单一取向。其中，LSCO/TiO2新型双缓冲层与GaN半导体薄膜衬底的外延取向关系为：由于LSCO与钛铌镁酸铅铁电薄膜晶体结构相同(钙钛矿型铁电薄膜)且晶格失配度较低，故LSCO/TiO2新型缓冲层能够显著降低钙钛矿型铁电薄膜与GaN半导体衬底间的晶格失配度，诱导钙钛矿型铁电薄膜在GaN上的外延集成，其使得PMN-PT与GaN之间的晶格失配度由12.1％降低为4.3％，从而实现钛铌镁酸铅铁电薄膜沿(111)面单一取向生长。同时，La1-ySryCoO3缓冲层薄膜具有优异的导电性，能够作为钙钛矿型铁电薄膜的外延底电极。而且两者(TiO2缓冲层、钴酸锶镧缓冲层)具有协同作用，缺一不可。如果不沉积TiO2缓冲层，仅选用一层钴酸锶镧缓冲层，那么获得的钴酸锶镧缓冲层本身为多晶状态，从而导致所生长的钛铌镁酸铅铁电薄膜也呈现多晶状态，性能变差。如果只沉积TiO2缓冲层，不沉积钴酸锶镧缓冲层，则上面生长的钛铌镁酸铅铁电薄膜也呈现多晶状态，且无底电极，不能有效的测试钛铌镁酸铅铁电薄膜的铁电特性。较佳地，所述钛铌镁酸铅铁电薄膜的化学式组成为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，0.28≤x≤0.35，厚度为300～500nm。较佳地，所述TiO2缓冲层的厚度为1～5nm，较薄的TiO2缓冲层厚度会提高薄膜的表面平整度。较佳地，所述钴酸锶镧缓冲层的化学式组成为La1-ySryCoO3，0.4≤y≤0.6，厚度为40～60nm，在该厚度范围内，钴酸锶镧起到缓冲层作用，同时其具有优良的导电性，适合作为铁电薄膜的底电极。另一方面，本专利技术还提供了一种如上所述钛铌镁酸铅铁电薄膜的制备方法，包括：(1)以TiO2陶瓷块体为靶材，采用脉冲激光沉积技术在GaN半导体衬底上生长TiO2薄膜，得到所述TiO2缓冲层；(2)以La1-ySryCoO3陶瓷块体为靶材，采用脉冲激光沉积技术在TiO2缓冲层上生长La1-ySryCoO3薄膜，得到所述钴酸锶镧缓冲层；(3)以(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3单晶块体为靶材，采用脉冲激光沉积技术在钴酸锶镧缓冲层上生长钛铌镁酸铅薄膜，得到所述钛铌镁酸铅铁电薄膜。较佳地，步骤(1)中，所述脉冲激光沉积技术的工艺参数包括：腔体真空度抽至≤2×10-4Pa，沉积温度为500～600℃，沉积氧压为1×10-3～1×10-1Pa，沉积速率为0.5～1nm/分钟，激光能量密度为1～3J/cm2。较佳地，步骤(2)中，所述脉冲激光沉积技术的工艺参数包括：沉积温度为650～700℃，沉积氧压为20～30Pa，沉积速率为1～2nm/分钟，激光能量密度为1～3J/cm2。较佳地，步骤(3)中，所述脉冲激光沉积技术的工艺参数包括：沉积温度为500～550℃，沉积氧压为20～30Pa，沉积速率为3～5nm/分钟，激光能量密度为3～5J/cm2。较佳地，将GaN半导体衬底依次放入丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗，再浸入稀盐酸溶液中清洗去除表面氧化层，并用氮气吹干。又，较佳地，所述盐酸浓度为1.2～2.4mol/L；浸泡时间为2～4分钟。本专利技术的有益效果是：一方面，在GaN(0002)半导体衬底上设计并制备了一种结构简单且性能优异的LSCO/TiO2双缓冲层，其能够诱导大多数钙钛矿型铁电薄膜在GaN上的外延集成；另一方面，通过引入所设计的LSCO/TiO2双缓冲层，显著降低了PMN-PT与GaN间的晶格失配度，在GaN(0002)半导体上获得了(111)取向的PMN-PT外延铁电薄膜，实现了PMN-PT铁电薄膜与GaN半导体的外延集成。由于该铁电材料的固有铁电极化方向沿着<111>方向，本专利技术制备的外延取向为(111)面钛铌镁酸铅铁电薄膜，相比于其他取向，在理论上具有更大的剩余极化强度以及饱和极化强度和稍高的矫顽场。附图说明图1为本专利技术制备的PMN-PT/LSCO/TiO2/GaN外延异质结结构及PMN-PT铁电薄膜电学性能测试的示意图；图2为实施例1中制备的LSCO/TiO2/GaN异质结各层薄膜的RHEED图谱；图3为实施例1中制备的LSCO/TiO2/GaN异质结的XRD图谱；图4为实施例1中制备的LSCO薄膜表面的AFM形貌图像；图5为实施例1中制备的PMN-PT/LSCO/TiO2/GaN异质结的XRD图谱；图6为实施例1中制备的PMN-PT/LSCO/TiO2/GaN异质结中PMN-PT(101)面和GaN面的X本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛铌镁酸铅铁电薄膜，其特征在于，所述钛铌镁酸铅铁电薄膜是由通过脉冲激光沉积技术依次形成在氮化镓半导体衬底上的TiO2缓冲层、钴酸锶镧缓冲层以及钛铌镁酸铅铁电薄膜构成；所述氮化镓半导体衬底的取向包括（0002）面，所述钛铌镁酸铅铁电薄膜的外延取向为（111）面，所述钴酸锶镧缓冲层的外延取向为（111）面，所述TiO2缓冲层为金红石相、外延取向为（100）面。

【技术特征摘要】
1.一种钛铌镁酸铅铁电薄膜，其特征在于，所述钛铌镁酸铅铁电薄膜是由通过脉冲激光沉积技术依次形成在氮化镓半导体衬底上的TiO2缓冲层、钴酸锶镧缓冲层以及钛铌镁酸铅铁电薄膜构成；所述氮化镓半导体衬底的取向包括（0002）面，所述钛铌镁酸铅铁电薄膜的外延取向为（111）面，所述钴酸锶镧缓冲层的外延取向为（111）面，所述TiO2缓冲层为金红石相、外延取向为（100）面。2.根据权利要求1所述的钛铌镁酸铅铁电薄膜，其特征在于，所述钛铌镁酸铅铁电薄膜的化学式组成为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，0.28≤x≤0.35，厚度为300～500nm。3.根据权利要求1或2所述的钛铌镁酸铅铁电薄膜，其特征在于，所述TiO2缓冲层的厚度为1～5nm。4.根据权利要求1-3中任一项所述的钛铌镁酸铅铁电薄膜，其特征在于，所述钴酸锶镧缓冲层的化学式组成为La1-ySryCoO3，0.4≤y≤0.6，厚度为40～60nm。5.一种如权利要求1-4中任一项所述钛铌镁酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于，包括：（1）以TiO2陶瓷块体为靶材，采用脉冲激光沉积技术在GaN半导体衬底上生长TiO2薄膜，得到所述TiO...

【专利技术属性】
技术研发人员：李效民，黎冠杰，徐小科，高相东，毕志杰，陈永博，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31