一种高分子辅助外延生长BiFeO制造技术

本发明专利技术公开了一种高分子辅助外延生长BiFeO

A polymer assisted epitaxial growth of BiFeO

【技术实现步骤摘要】
一种高分子辅助外延生长BiFeO3-δ半导性薄膜的方法及所得产品
本专利技术涉及一种外延生长BiFeO3-δ半导性薄膜的方法，具体涉及一种高分子辅助高质量外延生长BiFeO3-δ半导性薄膜的方法及按此方法制得的产品。
技术介绍
铁电电容存储器因单元面积太大而无法将其扩展到千兆位高密度器件,且容性存储单元在破坏性读出数据之后需要施加恢复电压脉冲再次写入数据。铁电二极管存储单元，在两个相反铁电极化方向下，其高电导态和低电导态之间可实现双极切换，进而可以实现二进制信息的非破坏性读出。相对传统的容性存储单元，铁电二极管存储单元可以做成非常效地尺寸，因此可以极大的提高存储密度。除此之外，铁电二极管存储单元还具有超快的工作速度，该速度取决于铁电极化翻转时间（约为1-2ps），且正极化态和负极化态对应电阻具有很高的比率（高达3000：1），提高了数据的分辨率。然而大多数铁电体在室温下是绝缘宽带隙绝缘体，其中最大电流也低于20mAcm-2的数量级。使用现代存储器电路中的感测放大器来检测如此微小尺寸的存储单元，很难获得足够的铁电二极管电流以稳定地检测存储器状态。在强绝缘的铁电体中，实际上只能在超薄膜中观察到足够的二极管电流，其中量子力学隧穿电流占主导地位，该电流大小取决于隧道势垒高度和极化强度两个因素。通过原子力显微镜（AFM）测试，检测AFM探针尖端到铁电薄膜的局部电子传输，证明了超薄铁电二极管中量子隧穿电流的存在。然而基于局域探针的数据存储与现在通用的互补金属氧化物（CMOS）半导体工艺并不兼容。若对超薄铁电层覆盖上下电极，通过测量现有缺陷介导泄漏路径的漏电流可能会掩盖掉隧穿电流，从而使存储信号不可分辨。再者，具有优选畴取向的超薄外延铁电薄膜中的大晶格失配应力也会缩短存储器存储数据的保持时间。铁电电容性存储器因其极低的存储密度而被淘汰，具有超高密度的铁电二极管存储器又因极薄的铁电层引起的各种问题而不能使用。对于稍厚的铁电薄膜又因为其高的绝缘性，使得铁电二极管电流太小，采用目前的测试手段难于分辨存储状态。而对稍厚的铁电二极管来说，对其铁电层的绝缘性进行克服以提高铁电薄膜的半导体输运性能，这是解决目前铁电二极管不能实用的问题的关键。可见，开发具有优良铁电性和半导体输运性能的半导性铁电材料具有重要意义。目前铁电极化强度的检测是基于对极化电流的积分，因此漏电流会影响极化测量，电导的提高也会进一步减少材料的铁电极化强度，人们为了提高铁电性会向着低电导高绝缘的目标制备铁电材料，很少有人关注如何提高铁电材料的导电性。如何制得既具有好的铁电性又具有很好的半导体输运特性的铁电薄膜材料是目前科研领域的一个难题。BiFeO3具有很好的室温铁电性能，且它是铁电材料中带隙最小的材料，但是其带隙也在2.7eV以上，所得的最大铁电二极管电流也低于20mAcm-2的数量级，属于目前半导体芯片检测技术中不易检测的范围。对BiFeO3进一步改性有希望做成高导铁电半导体材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高分子辅助外延生长BiFeO3-δ半导性薄膜的方法及所得产品，该方法在(100)SrTiO3或(100)Nb:SrTiO3衬底上利用高分子辅助法沉积BiFeO3-δ外延铁电半导体薄膜，操作简单方便，对实验设备要求不高，原料化学计量比可精确控制，通过对工艺条件的选择和优化，所得薄膜为外延生长，其铁电性和半导性能都得到很大的提升，可用于高精密器件的研发，易可满足商业化应用。本专利技术以(100)SrTiO3或(100)Nb:SrTiO3为衬底，采用高分子辅助法外延生长半导性BiFeO3-δ薄膜，在沉积过程中，通过对前驱体溶液、薄膜沉积工艺的选择和优化，使BiFeO3-δ薄膜在(100)SrTiO3或(100)Nb:SrTiO3衬底上外延生长的晶粒结晶度高、排列规则，从而提高了薄膜的铁电性和半导性能。本专利技术高分子辅助外延生长BiFeO3-δ半导性薄膜的方法，该方法包括以下步骤：（1）将铋盐、铁盐、调节剂和混合溶剂搅拌混合均匀，得前驱体溶液；（2）在SrTiO3或Nb:SrTiO3衬底上涂覆前驱体溶液，采用旋涂法制备单层薄膜，甩膜时的温度为60-80℃，甩膜时的湿度为11-20%；（3）将上一步涂覆单层薄膜后的SrTiO3或Nb:SrTiO3衬底在250-300oC下热处理5-10分钟，然后在石英管式炉中进行退火，退火程序为：保持炉内的N2流量为0.1-1L/min，先从室温以1-5℃/min的速率升至350-480℃，保温30-60min，再以10-40℃/min的速率升至510-680℃，保温30-60min，待炉温自然冷却至室温后将衬底取出；（4）重复上述步骤（2）和（3），直至最终薄膜厚度满足要求，得BiFeO3-δ半导性薄膜，也可以称之为BiFeO3-δ铁电半导体薄膜或半导性铁电BiFeO3-δ薄膜。进一步的，上述步骤（1）中，所述混合溶剂为冰乙酸、乙二醇和乙二醇甲醚的混合物。其中，铋盐与冰乙酸的摩尔比为1:5-8，乙二醇和乙二醇甲醚的体积比为1:1。乙二醇和乙二醇甲醚的用量使最终的前驱体溶液具有所要求的浓度。进一步的，所述铋盐为硝酸铋，所述铁盐为硝酸铁。铋盐、铁盐、调节剂和混合溶剂的加入顺序可以随意选择，例如可以先将铋盐与冰乙酸混合，升温形成均匀溶液，然后再加入铁盐、调节剂和另两种溶剂；也可以先将各溶剂混合，向混合溶剂中先加入铋盐，混合均匀，然后再加入铁盐、调节剂。进一步的，上述步骤（1）中，铁盐与铋盐按照1:1的摩尔比加入，因为本专利技术BiFeO3-δ为外延生长，因此不会存在铋的缺失，铋盐无须过量加入。进一步的，上述步骤（1）制得的前驱体溶液中，以BiFeO3计，BiFeO3在最终的前驱体溶液中的浓度为0.2mol/L~0.3mol/L，优选为0.24mol/L。进一步的，上述步骤（1）中，所述调节剂为聚乙二醇20000、聚乙二醇400和柠檬酸的混合物，铁酸铋、聚乙二醇20000、聚乙二醇400、柠檬酸的摩尔比为1：0.005-0.015%：0.005-0.015%：0.5-1.5。调节剂的一个作用是调整前驱体溶液的粘度，最终前驱体溶液的粘度为2-4mPa·s，另一个作用是辅助外延生长。进一步的，本专利技术采用层层退火工艺制备薄膜，所得薄膜在前驱体溶液以及制备工艺的调整和控制下外延生长BiFeO3-δ多铁半导性薄膜。单层薄膜采用旋涂法制备，制备时需要严格控制工艺条件，甩膜温度保持在60-80℃，甩膜湿度为11-20%，在此工艺条件以及其他条件的配合下，才能得到外延生长的、高质量的BiFeO3-δ多铁性和半导性均很好的薄膜。每次制备单层薄膜后都需要经过退火后再进行下一层薄膜的制备，退火时以氮气为气氛，形成氧空位，提高了薄膜的半导性能，通过升温速率、氮气流量和退火温度的控制，保证了各层薄膜中BiFeO3-δ的外延生长。优选的，层层退火时，每层薄膜的退火程序为：保持炉内的N2流量为0.6L/min，先从室温以5℃/min的速率升至450℃，保温30min，再以40℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高分子辅助外延生长BiFeO

【技术特征摘要】
1.一种高分子辅助外延生长BiFeO3-δ半导性薄膜的方法，其特征是包括以下步骤：
（1）将铋盐、铁盐、调节剂和混合溶剂搅拌混合均匀，得前驱体溶液；
（2）在SrTiO3或Nb:SrTiO3衬底上涂覆前驱体溶液，采用旋涂法制备单层薄膜，甩膜时的温度为60-80℃，甩膜时的湿度为11-20%；
（3）将上一步涂覆单层薄膜后的SrTiO3或Nb:SrTiO3衬底在250-300oC下热处理5-10分钟，然后在石英管式炉中进行退火，退火程序为：保持炉内的N2流量为0.1-1L/min，先从室温以1-5℃/min的速率升至350-480℃，保温30-60min，再以10-40℃/min的速率升至510-680℃，保温30-60min，待炉温自然冷却至室温后将衬底取出；
（4）重复上述步骤（2）和（3），直至最终薄膜厚度满足要求，得BiFeO3-δ半导性薄膜，也可以称之为BiFeO3-δ铁电半导体薄膜或半导性铁电BiFeO3-δ薄膜。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述调节剂为聚乙二醇20000、聚乙二醇400和柠檬酸的混合物，铁酸铋、聚乙二醇20000、聚乙二醇400、柠檬酸的摩尔比为1：0.005-0.015%：0.005-0.015%：0.5-1.5。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：BiFeO3-δ半导性薄膜的总厚度为80~110nm。


4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征是：制备第一层薄膜时，以6000-7000rpm的速度甩膜，甩膜时间为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锋，刘芬，季凤岐，林延凌，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37