[发明专利]一种高极化强度铁酸铋厚膜材料体系及中低温制备方法

说明书

本发明提供了一种高极化强度铁酸铋厚膜材料体系及中低温制备方法，包括基体、缓冲层、底电极、铁酸铋介电层、顶电极，以半导体单晶为基体，缓冲层为金属或金属氧化物薄层，底电极为惰性金属薄层。提供的制备工艺中材料体系的晶化温度较低(≤500℃)，利于大面积硅集成电路的应用；低的晶化温度大大降低了材料体系中元素的挥发，避免了材料氧空位等缺陷的产生并获得了具有优异性能的膜材料，其饱和极化强度高达～130μC/cm²，可承受的外电压不小于200V。本发明工艺流程、设备操作简单，所用原材料均为市场所售，成本较低，易于器件集成，适合于工业化推广及生产。

技术领域

本发明属于电子材料开发和厚膜材料制备技术领域，尤其涉及一种高极化强度铁酸铋厚膜材料体系及中低温制备方法。

背景技术

近年来，铁电陶瓷及其薄膜材料以其优异的介电、铁电、压电、电光及非线性光学等特性，在微电子和光电子领域，尤其是高容量存储器和微机电系统方面具有广阔的应用前景。然而，在其材料选择及制备方法上仍存在一些问题：如(1)目前在工业生产及应用领域中占主导地位的仍是铅基薄膜材料，铅元素的毒性给环境和人类健康带来了巨大挑战；(2)在材料制备过程中，铁电薄膜较高的晶化温度严重阻碍了其与硅、锗、砷化镓等半导体器件的集成。

铁酸铋(BiFeO₃)是一种在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的无铅多铁性材料，理论上其薄膜材料的剩余极化强度与当今广泛使用的铅基材料相当甚至更高，因此铁酸铋材料在存储器、高电容以及大电感一体化的微电子器件、自旋电子器件等方面展现出广阔的应用前景，其研究日益受到人们的关注。

铁酸铋是迄今为止发现的唯一的铁电居里温度(Tc～870℃)和磁有序温度(T_N～370℃)均在室温以上的多铁性材料，其薄膜材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法和磁控溅射法等。然而铁酸铋薄膜材料在制备过程中会出现诸多问题，例如由于其晶化温度较高，在制备过程中易导致元素的挥发而产生氧空位以及Fe³⁺离子变价等问题，很难制得具有高极化强度、低漏电、高耐压值的性能优良的纯相薄膜材料。另外，目前高品质铁酸铋薄膜材料的制备通常选择MgO、SrTiO₃或LaAlO₃等贵重单晶为基体，这会大大增加制备器件所用的材料及设备成本，同时不利于大面积半导体集成电路的应用以及规模化的工业生产。

发明内容

本发明的目的在于克服制备得到的铁酸铋材料极化强度低、易漏电、耐压值低的问题，提供一种制备工艺简单、晶化温度低、成本低廉的厚膜材料体系及制备方法。

经探索发现：铁酸铋厚膜材料体系中将铁酸铋介电层、缓冲层和底电极层的厚度分别控制在1～5μm、10～100nm和50～300nm；可获得具有优异饱和极化强度和抗漏电性能的铁酸铋厚膜材料体系。结果表明，制备的铁酸铋厚膜材料的饱和极化强度可达～130μC/cm²，可承受的外电压不小于200V。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高极化强度铁酸铋厚膜材料体系，包括基体、缓冲层、底电极、铁酸铋介电层、顶电极，以半导体单晶为基体，缓冲层为金属或金属氧化物薄层，底电极为惰性金属薄层；所述铁酸铋介电层的厚度为1～5μm；所述缓冲层和底电极层的厚度分别为10～100nm和50～300nm。

当固体或液体的一维线性尺度远远小于其他二维时，我们将这样的固体或液体称为膜。通常，膜可分为两类，一类是厚度大于1μm的膜，称为厚膜；另一类则是厚度小于1μm的膜，称为薄膜。

本发明中所述“厚膜材料”是指铁酸铋介电层，要求其厚度不小于1μm。

与现有的薄膜材料相比，厚膜材料可以获得更高的饱和极化强度和耐压值，克服了现有薄膜材料饱和极化强度以及耐压值难以提高、易漏电的问题。