[发明专利]一种高分子辅助外延生长BiFeO3-δ

说明书

本发明公开了一种高分子辅助外延生长BiFeO_3‑δ半导性薄膜的方法，包括：配制前驱体溶液，在衬底上采用层层退火工艺制备薄膜，每层薄膜制备时的温度为60‑80℃，甩膜时的湿度为11‑15%，第一层薄膜的厚度为11‑18 nm，第2‑3层薄膜的膜厚为20‑28 nm，其他层薄膜的厚度为14‑24nm，退火气氛为氮气。本发明方法实施方便，对实验设备要求不高，原料化学计量比可精确控制，工艺操作简单方便，所得薄膜即具有较好的铁电性又具有较高的电导性，在铁电调控的阻性存储器件中有很好的应用潜力。

技术领域

本发明涉及一种外延生长BiFeO_3-δ半导性薄膜的方法，具体涉及一种高分子辅助高质量外延生长BiFeO_3-δ半导性薄膜的方法及按此方法制得的产品。

背景技术

铁电电容存储器因单元面积太大而无法将其扩展到千兆位高密度器件, 且容性存储单元在破坏性读出数据之后需要施加恢复电压脉冲再次写入数据。铁电二极管存储单元，在两个相反铁电极化方向下，其高电导态和低电导态之间可实现双极切换，进而可以实现二进制信息的非破坏性读出。相对传统的容性存储单元，铁电二极管存储单元可以做成非常效地尺寸，因此可以极大的提高存储密度。除此之外，铁电二极管存储单元还具有超快的工作速度，该速度取决于铁电极化翻转时间（约为1-2 ps），且正极化态和负极化态对应电阻具有很高的比率（高达3000：1），提高了数据的分辨率。然而大多数铁电体在室温下是绝缘宽带隙绝缘体，其中最大电流也低于20 mA cm^-2的数量级。使用现代存储器电路中的感测放大器来检测如此微小尺寸的存储单元，很难获得足够的铁电二极管电流以稳定地检测存储器状态。在强绝缘的铁电体中，实际上只能在超薄膜中观察到足够的二极管电流，其中量子力学隧穿电流占主导地位，该电流大小取决于隧道势垒高度和极化强度两个因素。通过原子力显微镜（AFM）测试，检测AFM探针尖端到铁电薄膜的局部电子传输，证明了超薄铁电二极管中量子隧穿电流的存在。然而基于局域探针的数据存储与现在通用的互补金属氧化物（CMOS）半导体工艺并不兼容。若对超薄铁电层覆盖上下电极，通过测量现有缺陷介导泄漏路径的漏电流可能会掩盖掉隧穿电流，从而使存储信号不可分辨。再者，具有优选畴取向的超薄外延铁电薄膜中的大晶格失配应力也会缩短存储器存储数据的保持时间。

铁电电容性存储器因其极低的存储密度而被淘汰，具有超高密度的铁电二极管存储器又因极薄的铁电层引起的各种问题而不能使用。对于稍厚的铁电薄膜又因为其高的绝缘性，使得铁电二极管电流太小，采用目前的测试手段难于分辨存储状态。而对稍厚的铁电二极管来说，对其铁电层的绝缘性进行克服以提高铁电薄膜的半导体输运性能，这是解决目前铁电二极管不能实用的问题的关键。可见，开发具有优良铁电性和半导体输运性能的半导性铁电材料具有重要意义。

目前铁电极化强度的检测是基于对极化电流的积分，因此漏电流会影响极化测量，电导的提高也会进一步减少材料的铁电极化强度，人们为了提高铁电性会向着低电导高绝缘的目标制备铁电材料，很少有人关注如何提高铁电材料的导电性。如何制得既具有好的铁电性又具有很好的半导体输运特性的铁电薄膜材料是目前科研领域的一个难题。BiFeO₃具有很好的室温铁电性能，且它是铁电材料中带隙最小的材料，但是其带隙也在2.7eV以上，所得的最大铁电二极管电流也低于20 mA cm^-2的数量级，属于目前半导体芯片检测技术中不易检测的范围。对BiFeO₃进一步改性有希望做成高导铁电半导体材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高分子辅助外延生长BiFeO_3-δ半导性薄膜的方法及所得产品，该方法在(100) SrTiO₃或(100) Nb:SrTiO₃衬底上利用高分子辅助法沉积BiFeO_3-δ外延铁电半导体薄膜，操作简单方便，对实验设备要求不高，原料化学计量比可精确控制，通过对工艺条件的选择和优化，所得薄膜为外延生长，其铁电性和半导性能都得到很大的提升，可用于高精密器件的研发，易可满足商业化应用。