[发明专利]一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁电薄膜材料及其制备，具体涉及一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法。

背景技术

铁酸铋(BiFeO₃)是一种在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的多铁性材料，而且在理论上，其薄膜的剩余极化可为现在广泛使用的含铅材料的2-3倍，因此铁酸铋材料在存储器、高电容和大电感一体化的电子元器件、自旋电子器件方面有着较为广阔的应用前景，其研究日益受到了人们的关注。

铁酸铋是迄今为止发现的唯一一个铁电居里温度(Tc=1143K)和磁有序温度(Tn=643K)均在室温以上的多铁性材料。铁酸铋薄膜的制备主要有溶胶-凝胶、脉冲激光沉积、分子束外延、化学气相沉积和磁控溅射等方法。分子束外延法生长的薄膜速率缓慢，不适应大量生产，生长系统需要超高真空，而且设备维护费用高，限制了其工业应用；脉冲激光沉积虽然说设备使用方便，但是在成膜面积、均匀性和表面清洁度尚有许多缺点，削弱了其工业应用。磁控溅射沉积具有速率快，溅射出的薄膜纯度高、致密性和均一性好，工艺重复性高，对靶材的要求低，工业应用成本低等优点。离轴磁控溅射更是克服了传统磁控溅射粒子反刻蚀的缺点，改善了外延薄膜的质量，大大提高了磁控溅射的应用潜能。但是铁酸铋薄膜的制备却存在着很多问题，例如由于在制备过程中容易产生氧空位以及Fe³⁺离子变价等问题，很难制的纯相的、漏电小的薄膜。故而一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜的制备更是难上加难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜，包括基体、底电极、铁酸铋介电层、顶电极，用晶格常数与铁酸铋接近的单晶氧化物半导体基片作为基体，底电极为导电氧化物薄膜，顶电极为金属薄膜点电极；所述的导电氧化物薄膜采用钙钛矿ABO₃结构的导电陶瓷材料钌酸锶、镍酸镧、钴酸镧锶或锰酸镧锶；金属薄膜点电极的材料为金或铂。

所述的底电极厚度为50～400nm；铁酸铋介电层厚度为200nm～1μm；顶电极直径20～500μm。

所述的高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜为在基体上采用同轴溅射的方法沉积底电极，再在底电极上采用离轴溅射的方法沉积铁酸铋介电层，最后在铁酸铋介电层上沉积顶电极制成。

一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜的制备方法，包括步骤如下：

（1）基体处理：

选用氧化物半导体基片作为基体，对基体进行预处理；

（2）在基体上采用同轴溅射的方法沉积底电极：

采用导电氧化物靶材，以射频或直流磁控溅射的方式在预处理后的基体上沉积底电极层，采用的溅射方法为同轴溅射，沉积时气氛为Ar和O₂的混合气体，Ar气流量控制在30～110sccm，O₂流量控制在5～30sccm,气压控制在0.8～3Pa,靶功率密度为3.3～8.7W/cm²。

（3）在底电极上采用离轴溅射的方法沉积铁酸铋介电层：

采用陶瓷BiFeO₃靶，以射频磁控溅射的方式在底电极上沉积BiFeO₃层，采用的溅射方法为离轴溅射，溅射气氛为Ar和O₂的混合气体，Ar气流量控制在30～110sccm，O₂流量控制在5～30sccm,BiFeO₃靶的功率密度为3.3～8.7W/cm²。

（4）在铁酸铋介电层上沉积顶电极：

采用金属靶，以射频或直流磁控溅射方式沉积，溅射气氛为空气，靶功率密度为2～5W/cm²。

上述方法中步骤（1）所述的氧化物半导体基片为晶格常数与铁酸铋接近的单晶氧化物半导体基片，如LaNiO₃、SrRuO₃、LaSrCoO₃等。所述的预处理为先用丙酮和酒精对基体进行超声清洗，去除表面上的油性杂质，再用去离子水对其进行最后的清洗，吹干，最后将其放至真空镀膜腔室中，加热到500～750℃。

上述步骤（2）中所述的导电氧化物靶材为采用钙钛矿ABO₃结构的导电陶瓷材料钌酸锶、镍酸镧、钴酸镧锶或锰酸镧锶。

步骤（4）所述的金属靶金或铂。