透明zno薄膜与铁电薄膜的集成分析-integration analysis of transparent zno thin films and ferroelectric thin films.docx

摘 要 摘 要 基于铁电场效应晶体管的铁电随机存储器具有在断电时不会丢失信息、低功耗、非 破坏读取、和快速开关等诸多优点。近年来，透明薄膜晶体管的发展是透明电子学的一 个重要的研究方向，可以应用在显示器、智能窗、太阳能电池和军事等领域。将具有存 储功能和非破坏读取特性的铁电材料和透明导电薄膜结合起来开发新型的透明铁电场 效应管是近年来研究的热点。 本文首先制备了高质量的氧化锌(ZnO)以及掺铝氧化锌(AZO)薄膜，对其微观结构和 光学及电学性能进行了系统的研究；然后研究了工艺参数对 Pt/Pb(Zr0.4Ti0.6)O3(PZT)/Pt 和 Pt/BiFe0.95Mn0.05O3(BFMO)/Pt 两种铁电电容器微观结构和电学性能的影响；最后，在 高质量的 AZO 薄膜上生长了 PZT、BFMO 铁电薄膜，研究了复合薄膜的微观结构和电 学性质。主要研究工作如下： 采用磁控溅射方法在蓝宝石(0001)衬底上制备了外延生长的 ZnO 薄膜。研究了溅射 功率、氧含量和衬底温度等工艺参数对于制备的 ZnO 薄膜的微观结构和光学性质的影 响，优化了工艺参数，制备了高质量的 ZnO 薄膜。ZnO 薄膜经过原子力显微镜、X 射 线衍射仪和可见紫外分光光度计表征，发现 ZnO 薄膜表面平滑，晶粒尺寸分布均匀， 薄膜结晶质量高，在可见光范围内的平均透射率达到 90%以上。 在制备出高质量的 ZnO 薄膜的基础上，使用磁控溅射技术和脉冲激光烧蚀技术分 别在蓝宝石(0001)和单晶 Si(001)衬底上制备了 AZO 薄膜，重点研究了生长温度对 AZO 薄膜微观结构和光学、电学性能的影响，得到了性能良好的 AZO 薄膜。 使用溶胶-凝胶方法在 Pt(111)/TiO2/Si 和 LaNiO3/Pt(111)/TiO2/Si 衬底上制备了 PZT 薄膜。重点研究了在退火过程中，氧含量、退火温度以及退火时间对制备的铁电电容器 微观结构和电学性质的影响。结果表明：在纯 O2 气氛下，经 600 oC 退火 120 s 的 PZT 薄膜具有较好的结晶质量，Pt/PZT/Pt 铁电电容器具有优越的铁电特性；漏电流结果表明 当电压小于 1 V 时为欧姆导电机制，大于 1 V 时为界面限制的肖特基发射；550 oC 退火 的硅基 Pt/PZT/LaNiO3/Pt 铁电电容器具有较大的剩余极化强度（约为 44 μC/cm2）。 采用溶胶-凝胶方法在 Pt(111)/TiO2/Si 基片上制备了 BFMO 薄膜。在空气气氛下， 退火温???为 650 oC 时制备了结晶质量良好的 BFMO 薄膜，Pt/BFMO/Pt 铁电电容器的铁 电性能良好。在纯氮气气氛下，退火温度为 600 oC 时制备了高质量的 BFMO 薄膜的， I  同时电滞回线具有良好的对称性和饱和趋势，10 V 电压作用下的剩余极化强度为 50 μC·cm-2，矫顽电压为 5 V；4 V 电压下的漏电流密度为 3×10-3 A/cm2，0-4 V 电压范围内 的导电机制为欧姆导电。 使用溶胶-凝胶方法在 AZO（0002）/Si（001）衬底上分别制备了 PZT 和 BFMO 薄 膜。结果表明，在 0.5 %的氧含量气氛中，经过 550 OC 退火制备了 Pt/PZT/AZO 铁电电 容器，其剩余极化强度为 1.3 μC·cm-2，矫顽电压为 2.4 V。在纯氮气气氛中，经过 600 OC 退火 2 min 的 Pt/BFMO/AZO 铁电电容器在 5 V 电压的作用下得到的电滞回线对称性良 好，剩余极化强度为 3.5 μC·cm-2，矫顽电压为 0.68 V，5 V 电压的漏电流密度约为 7.8×10-3 A/cm2。电压小于 0.7 V 时，漏电流机制为欧姆导电机制；大于 0.7 V 时为界面限制的肖 特基发射。 关键词： ZnO 薄膜 Pb(Zr0.4Ti0.6)O3 薄膜 BiFe0.95Mn0.05O3 薄膜 集成 异质结 微观 结构 光学和电学特性 铁电性能 II Abstract  PAGE 4 Abstract Ferroelectric random access memory(FeRAM) based on a single ferroelectric field effect transistor(FFET) in principle has a great advantage over other types of memory since it is nonvolatile, low power consumption, non-destructively readable and possesses a fast access time. The rece