[发明专利]一种采用原子层沉积法制备鳍式三维多铁异质结的方法

说明书

本发明公开了一种采用原子层沉积法制备鳍式三维多铁异质结的方法，利用微纳加工技术将铁电单晶基片加工成鳍式三维纳米结构，并利用原子层沉积的出色三维保形均匀性，以价格低廉的二茂铁和氧气作为铁和氧前驱体源，使用原子层沉积ALD设备在具有鳍式三维结构的铁电单晶基片上原位生长出100％均匀和保形的Fe₃O₄薄膜形成鳍式三维多铁异质结。将微纳加工技术和原子层沉积这样两种技术有机结合起来，突破了现有多铁异质结还停留在平面结构和宏观尺寸的局限，这对多铁异质结走向三维化，微型化的和与现有主流微电子器件的兼容具有重要意义。

技术领域

本发明属于多铁异质结技术领域，具体涉及一种采用原子层沉积法制备鳍式三维多铁异质结的方法。

背景技术

随着微电子与半导体技术的迅猛发展，三维化、微型化、可调节化与多功能化已成为当前电子元器件设计和开发的新趋势。探索和开发与其相关的新型智能多尺度材料，特别是渗透于现代技术各个领域的集电性与磁性于一身的多铁性材料已成为最近十年的研究热点。多铁性材料不但同时具备两种或三种单一铁性(如铁电性、铁磁性和铁弹性)，通过铁性的耦合协同作用能产生一些新的功能，如铁电和铁磁之间存在磁电耦合效应，使电控磁或磁控电成为可能。此外，多铁材料还能实现磁场对介电常数或电容的调控作用。目前，虽然已经有许多单相多铁材料被研究者所发现，但相比于单相多铁材料在室温下的弱磁电耦合效应，人工构建的层合多铁异质结不仅在材料组合和结构设计上具有更好的可选性和灵活性，而且可实现较强的磁电耦合效应并产生新颖的物理现象和调控机制，特别是界面处的电子自旋、电荷、轨道以及晶格之间存在着复杂的相互作用，将会导致许多新的磁电物理现象，有望实现集磁电于一身的新一代多功能器件，使其在新一代的存储器、传感器、微波器件等领域中具有重要的应用前景。所以，我们需要打破现有制备技术的局限，设计和构建出三维多铁异质结，这对于解决多铁异质结与微电子器件的集成和技术衔接等关键问题具有重要意义。因此，如何立足于应用层面，从器件的结构设计和功能需求出发，构建出具有三维层合结构的多铁异质结是本发明的核心。然而，迄今为止，制备磁性氧化物薄膜的方法主要有以下几种：(1)脉冲激光沉积法(PLD)，此方法工艺比较简单，薄膜的结晶质量好，但是大面积均匀性和膜厚精确可控性较差，而且无法实现三维均匀保形覆盖。(2)磁控溅射是最常用的磁性氧化物薄膜生长方法，此方法具有较好的平面均匀性和成膜质量，然而在薄膜厚度精确控制方面无法实现亚纳米级的精确可控，尤其是在具有复杂三维纳米结构的衬底上无法实现三维均匀保形覆盖。(3)利用化学气相沉积(CVD)法能够制备具有一定三维均匀性的Fe₃O₄薄膜，但是CVD仍然无法实现薄膜厚度精确可控和在具有较大深宽比的三维结构沉积均匀保形覆盖磁性薄膜。综上所述，现有制备磁性薄膜的传统方法均有膜厚无法精确控制和无法实现三维均匀保形覆盖的瓶颈性难题。构建三维多铁异质结最关键问题是实现磁性薄膜和铁电薄膜在三维结构上的保形生长，所以只有开发一种具有100％三维均匀的新技术，才能够突破目前脉冲激光沉积、化学气相沉积和磁控溅射等传统技术的局限，构建出三维多铁异质结。兼顾三维均匀性和兼容性考虑，原子层沉积技术成为构建三维层合多铁异质结的首选技术。