[发明专利]高Tc铁电薄膜取向控制生长方法及铁电存储器原型器件

说明书

本发明属新材料和新技术领域，涉及铁电薄膜新材料研究、实时电场诱导铁电薄膜取向控制生长技术及高T_C铁电存储器原型器件的制备。

铁电薄膜的弹、压、介电、电光和声光性质与其晶体取向有着密切的关系。而实用的铁电薄膜光电子器件均要求其具有特定的取向或外延结构，如：PbTiO₃应用于热释电探测器，要求(001)取向，以获得最大的热释电效应；Sr₂Ba₂NbO₇应用于电光调制器，要求(001)取向；而LiNbO₃的压电应用也要求(001)取向。

非挥发性铁电存储器是一种利用铁电材料的剩余极化(Pr)，来实现信息存储的一种存储器。由于剩余极化在无外场作用的情况下，可以长时间的保持，不需要频繁的刷新，因而铁电存储器的能耗极低，而且在掉电情况下信息也不会损失，保证了数据的安全性等优点。再加上铁电存储器具有很强的抗辐射性。因此，在信息存储及信号处理等领域有着广阔的应用前景。制做非挥发性铁电存储器的理想材料应具备如下特点：大的剩余极化，小的矫顽场和很好的抗疲劳特性。目前，Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(PZT)和SrBi₂Ta₂O₉(SBT)这两种物质是被广泛使用的铁电材料。其中，PZT具有很大的剩余极化，但抗疲劳性能较差；而SBT的抗疲劳性虽然很好，但剩余极化却较小。另一方面SBT这一类的层状铁电氧化物薄膜倾向于沿c轴方向生长，而他们的自发极化P的方向却均在a-b平面内。这就导致了该种材料在制备成薄膜后显示出较小的剩余极化。

本发明的目的是：提供一种高T_C铁电薄膜取向控制生长方法及一种铁电存储器原型器件，其抗疲劳性好，剩余极化较大，具有较好的实用前景。

本发明的目的是这样实现的：高T_C铁电薄膜取向控制生长方法及铁电存储器原型器件：利用脉冲激光沉积方法(PLD)在衬底上生长高T_C铁电薄膜，生长的铁电薄膜主要为Bi₃TiNbO₉(BTN)和Bi₃TiTaO₉(BTT)，在薄膜的生长过程中外加一个与衬底表面垂直的静电场E。

本发明所选用的材料主要为Bi₃TiNbO₉(BTN)和Bi₃TiTaO₉(BTT)，其居里温度T_C为940℃和870℃。

生长时静电场E的范围为：5V/cm-500V/cm。

由于铁电材料存在的自发极化P在薄膜生长时可与外加静电场E发生相互作用，改变了薄膜的表面自由能G，使自发极化P在某种程度上沿静电场E的方向排列，进而影响薄膜的取向。为了实现这一目的，要选用居里点T_C高于薄膜生长温度(600℃)的铁电氧化物材料，以保证生长时薄膜材料具有可与静电场E相互作用的自发极化P。

本发明的目的就是用上述方案，选用高T_C的层状铁电氧化物材料，用经过改进的PLD系统制备铁电氧化物薄膜，在薄膜生长过程中原位加一静电场，从而达到控制薄膜取向，改善薄膜性质的目的。

本发明的技术解决方案中选择的衬底材料是：Pt/Ti/SiO₂/Si，Pt/TiO₂/SiO₂/Si和Si(001)等衬底材料，并选用高T_C层状铁电氧化物材料(BTN，BTT等)，利用PLD法制备铁电薄膜。即制成铁电存储器原型器件。

本发明的特点是：提供了一种高T_C铁电薄膜取向控制生长方法，用此生长方法得到铁电存储器原型器件，其剩余极化较大，抗疲劳性好，具有较好的实用前景。本发明的科学价值在于，首次将原位电场诱导薄膜取向生长的方法引入铁电存储材料的制备过程中。利用电场与铁电材料自发极化的耦合来达到控制薄膜取向的目的。其应用价值在于，进一步发展了一种薄膜制备的方法，并且找到了一种有较大的自发极化，较小的矫顽场和良好的抗疲劳特性等优点的铁电材料。

以下结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明制备高T_C层状铁电氧化物薄膜的原位电场诱导PLD薄膜生长系统的结构示意图：