[发明专利]一种MBE同质外延生长SrTiO3薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生长SrTiO₃薄膜的方法，尤其涉及一种同质外延生长具有原子级精度平整和严格化学配比的极性SrTiO₃(110)薄膜的方法。 

背景技术

利用分子束外延(MBE)技术生长薄膜，能够有效减少缺陷密度，得到高质量的薄膜，比如利用分子束外延生长的半导体GaAs/AlGaAs界面的二维电子气，其载流子迁移率可以达到10⁷cm²V^-1s^-1(文献1：D.G Schlom and L.N.Pfeiffer，Nature Mater.9，881(2010))。但是用分子束外延方法制备复杂氧化物SrTiO₃薄膜，遇到了很多挑战。对薄膜成分，特别是金属阳离子成分的控制一直是分子束外延方法制备多元氧化物SrTiO₃薄膜的重点和难点。另一方面，制备氧化物薄膜所必需的氧气氛，会使金属源被氧化，从而引起源蒸发速率的不稳定(文献2：E.S.Hellman and E.H.Hartford，J.Vac.Sci.Technol.B 12，1178(1994))。暴露在氧气氛中的金属源被氧化后，如果没有一个实时监测束流速率的系统，很难将金属蒸发源速率匹配控制在1％以内，这将直接影响到薄膜的成分与质量(文献3：M.E.Klausmeier-Brown，J.N.Eckstein，I.Bozovic，and G.F.Virshup，Appl.Phys.Lett.60，657(1992)；文献4：Y. Kasai and S.Sakai，Rev.Sci.Instrum.68，2850(1997).)。目前常用原子吸收谱和石英振荡器来对束流速率进行实时监控。但是对于生长高质量SrTiO₃薄膜，这些技术的控制精度远远不能达到要求。 

发明内容

本发明的目的是克服高温金属源的速率不稳定引起的薄膜成分偏离问题以及传统方法控制薄膜材料化学配比精度的不足，提供一种MBE同质外延生长SrTiO₃薄膜的方法。 

本发明提供一种MBE同质外延生长SrTiO₃薄膜的方法，包括： 

1)在氧气氛中于SrTiO₃衬底的(110)面上共沉积Ti和Sr，同时对样品进行反射式高能电子衍射的原位实时监测； 

2)根据反射式高能电子衍射的特征衍射条纹的图案的变化来调整Sr束流和Ti束流的比例，使SrTiO₃薄膜表面的重构始终围绕SrTiO₃衬底表面的重构进行振荡。 

根据本发明提供的方法，其中所述特征衍射条纹表征SrTiO₃薄膜表面的重构。 

根据本发明提供的方法，其中所述特征衍射条纹为[001]方向或[1-10]方向的衍射条纹。 

根据本发明提供的方法，其中步骤2)中，通过控制Sr源挡板和Ti源挡板之一的开与关来调整Sr束流和Ti束流的比例。 

根据本发明提供的方法，其中步骤2)中，通过控制Sr源和Ti源的温度来调整Sr束流和Ti束流的比例。 

根据本发明提供的方法，其中在步骤1)中，使Sr束流快于Ti束流，Sr束流与Ti束流的比例在1.5至3之间。 

根据本发明提供的方法，其中在步骤1)中，使Ti束流快于Sr束流，Ti束流与Sr束流的比例在1.5至3之间。 

根据本发明提供的方法，其中在步骤1)中，当控制Sr源挡板的开与关来调整Sr束流和Ti束流的比例时，使Sr束流快于Ti束流。 

根据本发明提供的方法，其中在步骤1)中，当控制Ti源挡板的开与关来调整Sr束流和Ti束流的比例时，使Ti束流快于Sr束流。 

根据本发明提供的方法，其中在步骤2)中，如果在(4×1)重构的衬底表面上生长SrTiO₃薄膜，则使薄膜表面的重构以(4×1)重构-(5×1)重构-(4×1)重构-(2×8)重构-(4×1)重构-(5×1)的顺序变化。 

本发明提供的方法能够有效地实现对薄膜成分和结构的控制，得到具有优良特性的高质量SrTiO₃(110)外延薄膜。 

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：