掺杂氧化铪基薄膜铁电性能的研究进展

铁电薄膜的研究多集中于钙钛矿结构材料,然而,这些传统的铁电材料存在与硅Si兼容性差、含铅而污染环境、物理厚度大、电阻低、带隙小等问题。不同的掺杂剂,如Si、Zr、Al、Y、Gd、Sr和La可以在HfO₂薄膜中诱导铁电或反铁电性,使其剩余极化率达到45μC·cm^-2,矫顽力(1～2 MV·cm^-1)比传统铁电薄膜大约1个数量级。同时,HfO₂薄膜厚度可以非常薄(低于10 nm),并具有很大的带隙(约5 eV)。这些优于传统铁电材料的特质可以克服包括铁电场效应晶体管和三维电容传统铁电材料等在薄膜存储器应用中的障碍。除此之外,反铁电薄膜的热电耦合性将有望用于能量收集、存储、固态冷却和红外传感器等多种应用中。HfO₂掺杂薄膜可以通过不同的沉积技术如ALD、溅射和CSD来制备,其中ALD技术沉积的薄膜优势更加明显。本文综述了近年来掺杂HfO₂薄膜材料铁电性和反铁电性的研究进展,详细介绍了不同掺杂元素、薄膜厚度、晶粒尺寸、电极、退火及应力等对薄膜铁电性的影响。     

磁控溅射制备大面积原子级平滑超低电阻率TiN薄膜电极

利用射频反应磁控溅射法制备了大面积原子级平滑的TiN薄膜电极,针对衬底偏压对TiN电极性能与结构的影响进行了系统探究。采用四探针方阻测试仪、XPS、GIXRD和AFM等测试手段对TiN薄膜电极的电阻率、化学成分、择优取向、表面形貌及薄膜均匀性进行表征分析。结果表明,施加-200 V衬底偏压可获得超低电阻率的TiN薄膜电极。采用最佳衬底偏压在4英寸单晶硅衬底上沉积的TiN电极薄膜具有较好的均匀一致性。最后将该TiN薄膜电极集成在HfO_2薄膜电容器中,该电容器展现出良好的顺电性能和低漏电特性。     

柔性非晶InGaZnO薄膜晶体管栅绝缘层的研究

采用磁控溅射方法, 在聚酰亚胺薄膜上室温制备了非晶铟镓锌氧 (a-IGZO) 柔性薄膜晶体管 (TFT) 。其中, 栅绝缘层选择了不同厚度比例的氧化硅 (SiO_x) 与氧化坦 (TaO_x) 薄膜的搭配, 对比研究了不同栅绝缘层结构的薄膜特性以及所对应的柔性TFT器件的操作特性和偏压稳定性。实验结果表明, TaO_x的成膜速率明显高于SiO_x;随着TaO_x所占比例的增加, 栅绝缘层表面粗糙度降低, 介电常数显著提高。以300nm厚TaO_x搭配300nm厚SiO_x为例, 栅绝缘层相对介电常数可以达到10, 对应的a-IGZOTFT表现出了更高的的开态电流和更低的阈值电压, 但是器件漏电流略有增加, 正偏压稳定性也会有所下降。     

五氧化二钽薄膜的Ⅰ-Ⅴ特性

采用直流脉冲反应磁控溅射方法制备了高介电常数五氧化二钽(Ta2O5)薄膜.利用Ta/Ta2O5/Ta的MIM电容结构分析了Ta2O5的电学性能,研究了上电极面积对Ⅰ-Ⅴ特性的影响、Ⅰ-Ⅴ曲线的对称性和零点偏移以及薄膜缺陷和基底粗糙度对MIM电学性能的影响.结果表明,随着上电极面积增大,电容的漏电流密度增大,击穿场强减小.氧化钽薄膜中缺陷的存在和粗糙度增大容易引起漏电流增大,击穿强度降低.当上电极直径为1 mm时,MIM电容的性能最佳:击穿强度为2.22MV/cm,漏电流密度低于1×10-8A/cm2.     

五氧化二钽薄膜的I—V特性

采用直流脉冲反应磁控溅射方法制备了高介电常数五氧化二钽(Ta_2O_5)薄膜。利用Ta/Ta_2O_5/Ta的MIM电容结构分析了Ta_2O_5的电学性能,研究了上电极面积对I-V特性的影响、I-V曲线的对称性和零点偏移以及薄膜缺陷和基底粗糙度对MIM电学性能的影响。结果表明,随着上电极面积增大,电容的漏电流密度增大,击穿场强减小。氧化钽薄膜中缺陷的存在和粗糙度增大容易引起漏电流增大,击穿强度降低。当上电极直径为1mm时,MIM电容的性能最佳:击穿强度为2.22MV/cm,漏电流密度低于1×10~(-8)A/cm~2。     

二元锰钒氧化物薄膜的制备及室温铁磁性研究

本工作采用磁控溅射技术在蓝宝石衬底上制备了钒氧化物(VO_x)磁性薄膜,研究了共沉积Mn元素对VO_x表面形貌及铁磁性的影响。结构与形貌表征结果表明:本文制备的VO_x薄膜是一种化学计量比在V₂O₃与VO₂之间的纯相钒氧化物薄膜,Mn元素的引入使VO_x晶格发生轻微畸变,并且导致VO_x的形貌由纳米棒状结构演化为球状;磁学性能结果表明:VO_x薄膜呈现出室温铁磁性,随着Mn元素含量的增加,薄膜的饱和磁矩先增大后减小,Mn元素与V元素比例为1∶1时,表面形貌最规则且具有最大饱和磁矩345 emu/cm³。     

基于介质工程研制高性能黑磷顶栅器件

在这个工作中,作者通过电子束沉积二氧化铪(HfO₂)作为栅介质,并沉积1nm锡(Sn)作为生长HfO₂的缓冲层,获得了场效应迁移率超过100cm²V^-1s^-1的黑磷(BP)顶栅场效应晶体管(TG-FETs)。通过测试BP TG-FETs在不同漏源电压下的转移特性曲线,发现了漏极偏压会引起栅控效应。进一步地,在较小电压下探究了BP TG-FETs不同沟道长度的源漏电流饱和情况,这可用于BP射频器件的研究。最后,对BP顶栅器件的量子电容进行了相关研究,从测量的C-V曲线和转移特性曲线中直接提取并计算出栅介质氧化物电容和BP量子电容,此过程无需再引入任何其他拟合参数,BP量子电容的测量也为探索BP的态密度和电子器件可压缩性提供了重要依据。     

Mn-Mg共掺杂对钛酸锶钡薄膜介电性能的影响

用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO ₂/Si衬底上制备了系列Mn-Mg共掺杂的钛酸锶钡(Ba _0.25 Sr _0.75 TiO ₃)薄膜. X射线衍射以及场发射扫描电镜分析表明: 薄膜为钙钛矿结构且无杂相生成, 薄膜表面晶粒均匀、无裂纹. 测试了不同浓度掺杂薄膜的介电性能, 掺杂浓度为1mol% 时, 薄膜的介电常数、损耗、可调性和漏电流密度分别为200、0.010、38%、1×10^-5 A/cm ². 性能改善后的薄膜材料可以用来制作微波可调器件.     

氧化钒薄膜的微观结构研究

采用直流反应磁控溅射法在不同基片上制备了80nm和1000nm厚的氧化钒薄膜.采用X射线衍射仪、原子力显微镜及扫描电镜进行了薄膜微观结构分析.结果表明,薄膜的晶化受衬底影响较大,晶化随膜厚的增加而增强.不同衬底上生长的薄膜晶粒尺寸存在较大差异,Si3N4/Si衬底上生长的薄膜晶粒细小,薄膜较为平坦;玻璃衬底、Si衬底和α-Al2O3陶瓷衬底上生长的薄膜晶粒较为粗大.随着膜厚的增加,薄膜的晶粒尺寸明显增大,不同衬底上生长的二氧化钒薄膜晶粒都具有一种独特的"纺锤"形或"棒"形.     

氢化及沉积温度对掺铝ZnO透明导电薄膜性能影响

采用射频磁控溅射方法在玻璃衬底上制备了掺铝ZnO透明导电薄膜(AZO)。为了降低AZO薄膜的电阻率, 采用在溅射气氛中通入一定比例H₂的方法对AZO薄膜进行氢化处理, 并研究了溅射气氛中H₂含量及衬底温度对AZO薄膜氢化效果的影响。结果表明: 在低温条件下, 氢化处理能有效降低AZO薄膜的电阻率; 在衬底温度为100℃的低温条件下, 通过调节溅射气氛中H₂的比例, 制备了电阻率为6.0×10^-4 Ω·cm的高质量氢化AZO薄膜, 该电阻值低于同等条件下未氢化AZO薄膜电阻值的1/3; 但随着衬底温度的升高, 氢化处理对薄膜电学性能的改善效果逐渐减弱。     

反应磁控溅射法制备厚度均匀分布超高导电性TiN电极薄膜

微电子器件的迅速发展对TiN电极薄膜电阻率、表面粗糙度以及厚度均匀性均提出了更高的要求。本文采用半导体工艺兼容的反应磁控溅射技术在单晶硅上制备TiN薄膜。通过XRR、GIXRD、四探针测试仪和AFM等表征手段系统研究了衬底偏压、工作气压和溅射电源对薄膜晶体结构和电阻率的影响规律。结果表明,当采用直流电源进行溅射镀膜时,在-200 V的衬底偏压和0.3 Pa的工作气压下,得到了沿(200)晶面择优生长、表面粗糙度为0.7 nm、电阻率为38.7 μΩ·cm 的TiN薄膜。在该工艺条件下,分别采用直流和射频电源在4英寸单晶硅衬底上制备TiN薄膜。最终采用射频电源可获得高导电性、原子级平滑且厚度均匀分布的薄膜。分析发现:在使用射频电源的放电溅射过程中,高频交变电场使放电空间的电子在电极之间震荡,产生比直流放电更有效的碰撞电离,因此射频磁控溅射比直流磁控溅射沉积的薄膜更致密。     

RuO2/ZrO2/TaON复合光催化材料的制备及光解水制氢性能

采用控制水解法制备了细颗粒的ZrO₂/Ta₂O₅复合氧化物粉体, 在氨气流量为90 mL/min、850℃下氮化10 h获得ZrO₂/TaON, 用浸渍法制备含助催化剂RuO₂的复合光催化剂。用XRD、SEM、TEM和UV-Vis漫反射光谱等对所制备的光催化材料进行了表征, ZrO₂、RuO₂的晶粒尺寸约为10 nm,TaON的晶粒尺寸约为25 nm, 复合光催化剂可以吸收波长≤500 nm的可见光。ZrO₂的引入降低了氮化生成TaON的缺陷密度, 提高了TaON的比表面积。光电流及光催化分解水制氢反应定量评价了复合材料的光催化性能, RuO₂含量为2.0wt%时复合光催化剂活性最高, 0.6 V偏压下光电流密度为0.6 mA/cm², 产氢速率为6.0 μmol/h。     

氟化镁基底上HfO2中间层对Al2O3薄膜微观组织和力学性能的影响

采用电子束蒸镀技术在氟化镁基底上制备了单层Al₂O₃薄膜和含有HfO₂中间层的HfO₂/Al₂O₃双层薄膜。在空气中对所制备的薄膜进行1 h 600℃的退火处理。通过掠入角X射线衍射仪(GIXRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、纳米压痕和划痕法对薄膜的微观结构、红外透过率和力学性能进行了表征。结果表明: 退火处理后HfO₂/Al₂O₃双层薄膜中形成了一层树枝状的新层, 这种新层的硬度大于17.5 GPa。这种高硬度的新层能够保护氟化镁基底不被划伤。从GIXRD图谱中只能找到单斜相HfO₂的衍射峰, 而Al₂O₃薄膜仍然保持非晶态。从这些结果中可以推断出HfO₂从非晶态向单斜相的转变促进了这种树枝状新层的产生, 也正是这种新层提高了保护薄膜的力学性能。     

硫化物靶与单质靶制备Cu2ZnSnS4薄膜的比较研究

为了验证磁控溅射硫化物靶替代单质靶制备Cu₂ZnSnS₄(CZTS)薄膜及太阳电池的可行性与优越性, 采用多周期磁控溅射ZnS-Sn-CuS和Zn-Sn-Cu制备CZTS薄膜, 并分析了使用不同溅射靶材对薄膜晶体结构、相纯度、表面粗糙度、化学组分、表面、截面形貌及光电特性的影响。按SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Ni-Al结构制成完整的电池器件并测量了J-V曲线。结果显示采用ZnS-Sn-CuS靶制备的CZTS薄膜太阳电池开路电压为611 mV, 短路电流密度为21.28 mA/cm ², 光电转换效率达5.11%; 而以单质靶为基础制备的太阳电池开路电压为594 mV, 短路电流密度为18.56 mA/cm ², 光电转换效率为4.13%。这归因于采用ZnS-Sn-CuS制备的CZTS薄膜相比于单质靶更加平整致密, 纵向生长更好。证明了采用硫化物靶制备CZTS薄膜及太阳电池相较于单质靶的优越性。     

离子源偏压对PIA-EB-Hf法制备的HfO2激光薄膜性能的影响

探究HfO₂薄膜的激光损伤特性以进一步提高激光损伤阈值(Laser Induced Damage Threshold, 简称LIDT), 对其在高功率激光系统中的广泛应用具有重要的意义。在不同的离子源偏压下, 采用等离子体辅助电子束蒸发金属铪(Hf)并充氧(O₂)进行反应沉积法制备了中心波长为1064 nm, 光学厚度为4H的HfO₂薄膜样品。测试了薄膜组分和残余应力; 根据透射谱拟合了薄膜的折射率; 通过XRD谱图和SEM表面形貌图分析了薄膜的微观结构; 对激光损伤阈值、损伤特性和机理进行了论述。结果表明: 偏压100 V时制备的薄膜具有最佳O/Hf配比; 薄膜压应力和折射率均随偏压降低而减小。薄膜内存在结晶, 激光能量在晶界缺陷处被强烈聚集和吸收, 加速了膜层的破坏, 形成由几百纳米的烧灼坑聚集而成的海绵状损伤结构。随着偏压降低, 膜结晶取向由(\stackrel{\text{?}}{1}11)晶面向(002)晶面转变, 界面能降低; 晶粒减小, 结构更均匀, 缓解了激光能量在晶界处的局部聚集与吸收, 表现出较大的激光损伤阈值。     

Ba源配比对MOCVD法制备YBCO薄膜性能的影响研究

采用单一液相混合源进液及闪蒸的MOCVD系统在LaAlO₃(001)单晶基片上制备YBa₂Cu₃O_7-x(YBCO)薄膜, 研究混合源中Ba含量对YBCO超导薄膜成分、结构及电流承载能力的影响。结果表明, 当Ba含量较小时, YBCO薄膜中易于形成尺寸较小的CuO颗粒; 随着Ba含量的增加, 薄膜中形成Ba₂CuO₃晶粒, 并且Ba₂CuO₃晶粒尺寸随Ba含量的增加而逐渐增大。杂质相的含量、尺寸以及与YBCO的晶格匹配程度对YBCO薄膜的双轴取向生长和电流承载能力具有重要影响。当原料摩尔配比Ba/Y=3.9时, 成功制备出了具有优异面内面外取向、结构致密的YBCO超导薄膜, 77 K下的300 nm厚度薄膜的临界电流密度达到4.0 MA/cm², 该研究结果对于第二代涂层导体的发展具有重要意义。     

Bi4Ti3O12铁电薄膜I-V特性的研究

采用溶胶-凝胶工艺(Sol-Gel)在Pt/Ti/SiO2/p-Si衬底上成功制备了低漏电流Bi4Ti3O12(BIT)铁电薄膜,对所得样品的漏导行为进行了研究.研究表明,Bi4Ti3O12薄膜的漏电流密度在+3V偏压下低于10-9A/cm2,满足器件应用的要求.在不同场强下薄膜的漏导机制不同,而且正向和负向电场作用下I-V曲线明显不同,正向漏电流明显小于负向漏电流.电压低于2V时,薄膜以欧姆导电机制为主,电压在2～5.4V(加正向电压)或2.2～3.6V(加负向电压)时,BIT薄膜应以Schottky emission导电机制为主;而对于较高的场强下,BIT薄膜以Space-charge limited currents(SCLC)导电机制为主.     

非晶铟锌钨氧化物薄膜晶体管的电学性能和稳定性研究

采用射频磁控溅射法制备了非晶铟锌钨氧化物(a-IZWO)薄膜和以此半导体薄膜为沟道层的薄膜晶体管。研究了沟道宽长比和退火时间对器件电学性能的影响。结果表明,沟道宽长比为400μm:400μm的器件经过120min 200℃空气退火后其电学性能达到最佳,场效应迁移率达到7.29 cm²/Vs,阈值电压为-2.86 V,电流开关比超过10⁷,亚阈值摆幅低至0.13 V/decade。偏压稳定性测试结果证实了器件的偏压稳定性主要受到沟道层缺陷、背沟道表面氧离子和H₂O⁺离子吸附等因素的影响。随着器件沟道宽长比不断增大,退火时间不断延长,器件受到这些因素的影响变小,稳定性越来越好。     

SrHfON高κ栅介质薄膜的漏电特性研究

采用射频反应磁控溅射法在p-Si(100)衬底上成功制备出SrHfON高k栅介质薄膜,并研究了Au/SrHfON/Si MOS电容的漏电流机制及应力感应漏电流(SILC)效应.结果表明,MOS电容的漏电流密度随N2流量的增加而减小.在正栅压下,漏电流主要由Schottky发射机制引起;在负栅压下,漏电流机制在低、中、高栅电场区时分别为Schottky发射、F-P发射和F-N隧穿机制.同时,Au/SrHfON/Si MOS电容表现出明显的SILC效应,经恒压应力后薄膜在正栅压下的漏电流由Schouky发射和F-P发射机制共同作用,且后者占主导地位.     

100μm大晶粒多晶硅薄膜的铝诱导法制备

以Corning Eagle 2000玻璃为衬底,用磁控溅射法制备了glass/a-Si/Si O2/Al叠层结构,于Ar气保护下退火,制备了具有很强的(111)择优取向,最大晶粒尺寸达100μm的铝诱导晶化多晶硅薄膜。研究结果表明,非晶硅的氧化时间越长,所制备的多晶硅晶粒尺寸越大,当氧化时间达约47h后,再延长氧化时间对薄膜性能的影响不明显。还发现退火温度越高,晶粒越小,但是反应速率越快。