一种氮化镓基铁酸铋铁电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮化镓基铁酸铋铁电薄膜及其制备方法，所述氮化镓基铁酸铋铁电薄膜由通过脉冲激光沉积技术依次形成在氮化镓半导体薄膜衬底上的TiO2缓冲层、锰酸锶镧缓冲层以及铁酸铋铁电薄膜层构成。本发明专利技术的有益结果是采用LSMO/TiO2双缓冲层，减小了铁酸铋与氮化镓之间的晶格失配度，实现了铁酸铋铁电薄膜在氮化镓半导体薄膜上的外延生长，获得了（111）单一取向的铁酸铋薄膜，实现了铁酸铋铁电薄膜与氮化镓半导体的外延集成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体薄膜材料
本专利技术涉及基于铁酸铋铁电薄膜与氮化镓半导体的外延集成技术。
技术介绍
基于铁电薄膜与半导体集成技术而发展起来的集成铁电学及相关集成铁电器件，已成为凝聚态物理、材料科学、信息科学与能源科学等学科的交叉前沿与研究热点，在新型铁电场效应晶体管、铁电存储器、智能传感器及微机电系统等诸多领域具有广阔的应用前景。目前集成铁电器件的研究开发仍以铁电薄膜与传统硅基半导体集成为主，然而，硅基集成电路在按照摩尔定律发展了超过半个世纪之后，线路宽度已经越来越接近材料的物理极限。近年来，以氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体材料受到了广泛的关注与研究开发。与传统硅半导体相比第三代宽禁带半导体具有更宽的禁带宽度、更高的饱和电子漂移速度、更大的临界击穿电场强度、更高的工作温度等诸多优势，更适合于高频、高速、高温、大功率和高密度集成电子器件以及短波长光电子器件应用。铁酸铋BiFeO3(BFO)是为数不多的室温单相多铁材料之一，块体呈扭曲菱方钙钛矿结构，晶格常数为γ＝120°，空间群为R3c。铁酸铋薄膜具有较大的剩余极化强度和较高的居里温度(TC＝1103K)，使其被认为是最理想的铁电场效应晶体管(FFET)栅极材料之一。然而BFO薄膜与GaN基半导体的集成尚处于初始研究阶段，结果鲜有报道。同时，铁酸铋薄膜与GaN薄膜存在较大的晶体结构与点阵常数差异，其较大晶格失配度阻碍了BFO薄膜在GaN(0002)衬底上的外延生长。
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氮化镓基铁酸铋铁电薄膜。本专利技术的另一目的在于提供一种氮化镓基铁酸铋铁电薄膜的制备方法，即铁酸铋铁电薄膜与氮化镓半导体的外延集成方法。一方面，本专利技术提供了一种氮化镓基铁酸铋铁电薄膜，所述氮化镓基铁酸铋铁电薄膜由通过脉冲激光沉积技术依次形成在氮化镓半导体薄膜衬底上的TiO2缓冲层、锰酸锶镧缓冲层以及铁酸铋铁电薄膜层构成。本专利技术在BFO薄膜和GaN衬底之间引入LSMO/TiO2双缓冲层，有效的减小了铁酸铋薄膜与GaN薄膜晶格失配度。其中各层薄膜的外延生长方向为(111)[110]LSMO//(002)[001]TiO2//(0002)[11-20]GaN，TiO2缓冲层与氮化镓薄膜衬底之间的晶格失配度为7.7％，LSMO缓冲层与TiO2缓冲层晶格失配度为0.24％。同时LSMO薄膜与铁酸铋薄膜均为钙钛矿结构且晶格常数相近，引入LSMO/TiO2双缓冲层后，铁酸铋薄膜与氮化镓薄膜衬底之间晶格失配度由12.4％减小到1.4％。同时，LSMO薄膜可作为底电极用于测试铁酸铋薄膜的铁电性能。较佳地，所述氮化镓半导体薄膜衬底的取向包括(0002)。较佳地，所述TiO2缓冲层的厚度为1～5nm。较佳地，所述锰酸锶镧缓冲层的厚度为2～10nm。较佳地，所述铁酸铋铁电薄膜的组成化学式为BiFe1-xMnxO3，其中0≤x≤0.75。又，较佳地，所述铁酸铋铁电薄膜的厚度为100～300nm。另一方面，本专利技术提供了一种氮化镓基铁酸铋铁电薄膜的制备方法，包括：(1)以TiO2陶瓷块为靶材，采用脉冲激光沉积技术在氮化镓半导体薄膜衬底上沉积TiO2缓冲层；(2)以La1-ySryMnO3陶瓷块为靶材，采用脉冲激光沉积技术在TiO2缓冲层上沉积锰酸锶镧缓冲层；(3)以BiFe1-xMnxO3陶瓷块为靶材，采用脉冲激光沉积技术在锰酸锶镧缓冲层上沉积铁酸铋铁电薄膜层，得到所述氮化镓基铁酸铋铁电薄膜。较佳地，步骤(1)中所述脉冲激光沉积技术的参数包括：反应室抽真空至≤5×10-4Pa；沉积温度500～600℃；沉积氧压为0.001～0.1Pa；激光能量2～6J/cm2；沉积速率1～5nm/分钟。较佳地，步骤(2)或/和步骤(3)中所述脉冲激光沉积技术的参数包括：反应室抽真空至≤5×10-4Pa；沉积温度550～750℃；沉积氧压为5～40Pa；激光能量2～6J/cm2；沉积速率1～5nm/分钟。较佳地，将步骤(3)中所得氮化镓基铁酸铋铁电薄膜置于氧气气氛中在550～700℃下原位退火后冷却至室温。在退火之前，所制备的铁酸铋薄膜已经为单晶状态，在氧气氛围中退火是为了减少铁酸铋薄膜中的氧空位，提高结晶性。又，较佳地，所述氧气气氛的氧压为1×105Pa，所述冷却的速率为1～10℃/分钟。本专利技术的有益效果：本专利技术的有益结果是采用LSMO/TiO2双缓冲层，减小了铁酸铋与氮化镓之间的晶格失配度，实现了铁酸铋铁电薄膜在氮化镓半导体薄膜上的外延生长，获得了(111)单一取向的铁酸铋薄膜，实现了铁酸铋铁电薄膜与氮化镓半导体的外延集成。附图说明图1示出了本专利技术的一个实施方式中制备的BFMO/LSMO/TiO2/异质结构、并对BiFe0.95Mn0.05O3薄膜进行铁电性能测试的示意图；图2示出了实施例1中制备的BFMO/LSMO/TiO2/GaN异质结各层薄膜的RHEED图谱；图3a示出了实施例1中制备的BFMO/LSMO/TiO2/GaN异质结的XRD图谱；图3b示出了对比例1所制备的BiFe0.95Mn0.05O3/GaN异质结的XRD图谱；图3c示出了对比例2所制备的BiFe0.95Mn0.05O3/TiO2/GaN异质结的XRD图谱；图3d示出了实施例1中制备的BFMO/LSMO/TiO2/GaN异质结中BiFe0.95Mn0.05O3(101)面和GaN(10-11)面phi扫面图；图4a～图4e示出了实施例1中制备的BFMO/LSMO/TiO2/GaN异质结的TEM图谱，其中图4a为低分辨透射电镜(TEM)图片，图4b为高分辨透射电镜图片，图4c为LSMO/TiO2缓冲层选区电子衍射(SAED)图片，图4d为BiFe0.95Mn0.05O3薄膜选区电子衍射图片，图4e为BFMO/LSMO/TiO2/GaN异质结为各层薄膜面内原子匹配关系图；图5示出了实施例1中所致得BiFe0.95Mn0.05O3薄膜在不同施加电压下的电滞回线图；图6示出了对比例3中所制备的BiFe0.95Mn0.05O3/LSMO/GaN异质结的XRD图谱；图7示出了实施例2中所制备的BiFe0.95Mn0.05O3/LSMO/TiO2/GaN异质结的XRD图谱。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术提供了一种铁酸铋铁电薄膜与氮化镓半导体的外延集成方法。本专利技术的目的是这样实现的：将铁酸铋铁电薄膜沉积在LSMO/TiO2双缓冲层覆盖的氮化镓半导体薄膜衬底上。如图1所示，所述氮化镓基铁酸铋铁电薄膜由通过脉冲激光沉积技术依次形成在氮化镓半导体薄膜衬底上的TiO2缓冲层、锰酸锶镧缓冲层以及铁酸铋铁电薄膜层构成。其中，所述氮化镓半导体薄膜衬底的取向包括(0002)。本专利技术涉及基于氮化镓薄膜衬底上LSMO/TiO2双缓冲层的制备及铁酸铋铁电薄膜在缓冲层上外延生长的方法。本专利技术选用生长在蓝宝石单晶上(0002)取向的氮化镓薄膜作为衬底，通过引入LSMO/TiO2双缓冲层，实现了铁酸铋铁电薄膜(BiFe1-xMnxO3，其中0≦x≦0.75)在其上的外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化镓基铁酸铋铁电薄膜，其特征在于，所述氮化镓基铁酸铋铁电薄膜由通过脉冲激光沉积技术依次形成在氮化镓半导体薄膜衬底上的TiO2缓冲层、锰酸锶镧缓冲层以及铁酸铋铁电薄膜层构成。

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓基铁酸铋铁电薄膜，其特征在于，所述氮化镓基铁酸铋铁电薄膜由通过脉冲激光沉积技术依次形成在氮化镓半导体薄膜衬底上的TiO2缓冲层、锰酸锶镧缓冲层以及铁酸铋铁电薄膜层构成。2.根据权利要求1所述的氮化镓基铁酸铋铁电薄膜，其特征在于，所述氮化镓半导体薄膜衬底的取向包括（0002）。3.根据权利要求1或2所述的氮化镓基铁酸铋铁电薄膜，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中任一项所述的氮化镓基铁酸铋铁电薄膜，其特征在于，所述锰酸锶镧缓冲层的厚度为2～10nm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的氮化镓基铁酸铋铁电薄膜，其特征在于，所述铁酸铋铁电薄膜的组成化学式为BiFe1-xMnxO3，其中0≤x≤0.75。6.根据权利要求5所述的氮化镓基铁酸铋铁电薄膜，其特征在于，所述铁酸铋铁电薄膜的厚度为100～300nm。7.一种如权利要求1-6中任一项所述的氮化镓基铁酸铋铁电薄膜的制备方法，其特征在于，包括：（1）以TiO2陶瓷块为靶材，采用脉冲激光沉积技术在氮化镓半导体薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：李效民，徐雷雷，高相东，朱秋香，
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