[发明专利]利用弯曲形变调控钛酸钡单晶薄膜剩余极化与矫顽场的方法

说明书

本发明公开了一种利用弯曲形变调控钛酸钡单晶薄膜剩余极化与矫顽场的方法，主要解决现有技术调控铁电材料铁电性能耗能大的问题。其技术方案是：1.使用脉冲激光沉积技术，在氧化镁做牺牲层的钛酸锶衬底上生长单晶钛酸钡薄膜；2.在钛酸钡薄膜表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，用硫酸铵溶液除去氧化镁薄膜；3.将钛酸钡薄膜转移到后续所需的柔性衬底上，再固定在凸模或凹模上，通过改变凸模或凹模的曲率半径使得钛酸钡薄膜发生连续应变，实现钛酸钡薄膜剩余极化与矫顽场的连续变化，从而改善其铁电性质。本发明通过弯曲应力连续调控钛酸钡单晶薄膜剩余极化与矫顽场，耗能小，且不增加器件尺寸，可用于制作柔性电场强度传感器及存储器。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种调控钛酸钡单晶薄膜剩余极化与矫顽场的方法，可用于半导体器件的制备。

背景技术

铁电材料因为其具有良好的铁电性、介电性、热释电性、压电性、低工作电压、低损耗、声光电光效应以及与微电子器件良好的兼容性等特性已经成为目前材料研究的热点，应用十分广泛，如铁电存储器、铁电晶体管、热释电探测器等。

钛酸钡就是一种典型的铁电材料，通常用剩余极化和矫顽场来表征材料的铁电性能。用连续多个大小不同的脉冲电压对钛酸钡进行极化，不同电压下钛酸钡具有不同的阻态，也就是具有忆阻器的功能，且具有优秀的保持性和循环性。在极化强度和电压测试中表明钛酸钡薄膜具有明显的电滞回线，由于器件结构的对称性，在电容和电压测试中表现出明显的蝶形回线。

铁电体经极化处理，撤除外电场后，极化强度并不为零而是保持一定值，称为剩余极化强度Pr。矫顽场强是使铁电体剩余极化强度恢复到零所需的反向电场强度，它的强弱对材料介电常数、压电效应等具有明显影响。在不同的器件中，对剩余极化和矫顽场有不同的要求。例如，在存储器件中，剩余极化越大，矫顽场越小，器件性能越好；在铁电晶体管中，矫顽场越大，器件性能越好，因此，调控铁电性能是实现器件功能的基础。通常采用的调控剩余极化和矫顽场的方法是加电场，通过改变电压来调控铁电性能，然而这种方法耗能大，器件尺寸大，难以在集成器件中实现。此外，加金属电极也会带来其他不确定因素，会对材料的性能产生影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种利用弯曲形变调控钛酸钡单晶薄膜剩余极化与矫顽场的方法，以降低耗能、减小器件尺寸并提高钛酸钡薄膜的铁电性能。

本发明目的技术思路是：使用脉冲激光沉积PLD技术，在镧锶锰氧做牺牲层的钛酸锶衬底上生长高质量的钛酸钡外延薄膜，随后将外延钛酸钡薄膜转移到柔性衬底上，得到高质量的柔性自支撑钛酸钡薄膜；再通过弯曲柔性衬底，使施加在钛酸钡薄膜上的应力发生改变，从而连续调控钛酸钡薄膜的剩余极化与矫顽场，改善其铁电性质，其实现方案包括如下：

(1)在钛酸锶衬底上生长镧锶锰氧薄膜：

将钛酸锶衬底、镧锶锰氧靶材和钛酸钡靶材放入脉冲激光沉积系统的反应室中，对反应室抽真空；

向反应室中通入氧气，使反应室的氧压维持在0.01mbar～0.2mbar，设定激光器的能量密度为0.94J/cm²～1.1J/cm²和频率为5Hz，设定衬底的温度为700℃，使激光器射出激光，烧灼镧锶锰氧靶材5000次，使烧灼出来的镧锶锰氧等离子体沉积在钛酸锶衬底上，完成镧锶锰氧薄膜的生长；

(2)调节通入反应室的氧气，使反应室的氧压维持在0.01mbar～0.2mbar，设定激光器的能量密度为1.3J/cm²～2.4J/cm²和频率为5Hz，设定衬底的温度为700℃，使激光器射出激光，烧灼钛酸钡靶材3000次，以在镧锶锰氧薄膜上沉积钛酸钡等离子体，得到厚度为120nm的钛酸钡薄膜；