一種鈦酸鋇基超順電膜及其中低溫制備方法與應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了鈦酸鋇基超順電膜材料、中低溫在硅基底上集成制備鈦酸鋇基超順電膜的方法及其應(yīng)用。其方法為：在室溫(無加熱)或150℃條件下，在鍍完鉑鈦的基體表面由下向上依次磁控濺射緩沖層、鈦酸鋇基膜，在鈦酸鋇基膜表面磁控濺射頂電極，所述緩沖層的材質(zhì)為能夠與鈦酸鋇基晶格匹配的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電氧化物鎳酸鑭，濺射方式為鎳酸鑭緩沖層和鈦酸鋇基膜的連續(xù)濺射方式。本發(fā)明專利技術(shù)能夠降低制備鈦酸鋇基膜材料的溫度至室溫或150℃，且該鈦酸鋇基膜材料具有分散良好的納米極性區(qū)域，高的儲能密度和儲能效率以及高儲能特性不隨厚度增加而變化。并且，通過降低超順電膜層的厚度，增大電容密度和介電常數(shù)，滿足薄膜晶體管對介電層高介電常數(shù)的要求。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種鈦酸鋇基超順電膜及其中低溫制備方法與應(yīng)用
本專利技術(shù)涉及電子材料開發(fā)和薄膜材料制備
，具體涉及一種鈦酸鋇基超順電膜及其中低溫制備方法與應(yīng)用。
技術(shù)介紹
公開該
技術(shù)介紹
部分的信息僅僅旨在增加對本專利技術(shù)的總體背景的理解，而不必然被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。近年來，隨著電容器、功率調(diào)諧器件、脈沖功率系統(tǒng)和薄膜晶體管等電子設(shè)備的急速發(fā)展，對具有高電容密度、高介電常數(shù)、高儲能密度、高儲能效率的材料和器件有著很大的需求，是目前科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)之一。其中，與電池、超級電容器等其他儲能元器件相比，介電薄膜電容器具有快速充放電，對環(huán)境友好，良好的耐熱和抗疲勞特性以及更長的使用壽命。介電超順電電容器是一種在室溫下高介電常數(shù)，低充放電損耗的材料，超順電膜具有分散良好的短程有序的極化區(qū)域，由于這一特殊的微觀結(jié)構(gòu)，與鐵電和順電膜相比，超順電膜在保持高介電常數(shù)的同時(shí)去除了電滯回線，進(jìn)而兼具了高儲能密度和高儲能效率，其介電常數(shù)更具有良好的頻率和溫度穩(wěn)定性。同時(shí)，由于其具有高介電常數(shù)，低介電損耗，其可以替代傳統(tǒng)的二氧化硅作為高介電常數(shù)介電層應(yīng)用到薄膜晶體管中，提高薄膜晶體管的整體性能。這些優(yōu)異的電學(xué)性能決定了超順電薄膜材料在電容器、功率調(diào)諧器件、脈沖功率系統(tǒng)和薄膜晶體管等
有著廣闊的應(yīng)用前景，為實(shí)現(xiàn)薄膜電子器件的集成化、小型化和多功能化提供了可能。專利技術(shù)人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在介電電容器的實(shí)際應(yīng)用中，存在著制備溫度高、高儲能密度和高儲能效率不可兼得等問題。高的制備溫度不僅會增加額外的熱預(yù)算、工藝流程和成本開支，而且也會給介電電容器與CMOS-Si技術(shù)的兼容帶來巨大挑戰(zhàn)。此外，高溫使得結(jié)晶尺寸(晶粒尺寸)變大，導(dǎo)致鐵電電容器在外電場下顯示近方形的滯回介電響應(yīng)(“電滯回線”)，其可回收電容能量密度低，充放電效率差，難以與現(xiàn)有電能儲存和轉(zhuǎn)化技術(shù)接軌，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致器件失效。并且，隨著集成電路的發(fā)展，在薄膜晶體管的實(shí)際應(yīng)用中，其介電層材料存在著制備溫度高、電容密度以及介電常數(shù)低等問題，這些問題嚴(yán)重制約著薄膜晶體管的發(fā)展。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本專利技術(shù)提供一種鈦酸鋇基超順電膜及其中低溫制備方法與應(yīng)用。該超順電膜的制備方法中，成膜溫度降低至150℃或室溫(無加熱)、且不需任何后續(xù)退火工藝，能夠直接在制備后冷卻形成超順電相。使超順電膜與CMOS-Si技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)高度兼容，且形成的膜材料兼具高儲能密度和高儲能效率,這一儲能特性不隨厚度增加而減弱。并且，通過降低超順電膜層的厚度，增大其電容密度和介電常數(shù)，滿足薄膜晶體管對介電層高介電常數(shù)的要求。為解決以上技術(shù)問題，本專利技術(shù)的以下一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案：第一方面，本專利技術(shù)提供一種鈦酸鋇基超順電膜的中低溫制備方法，包括如下步驟：在濺射有底電極的硅基底上依次濺射沉積鎳酸鑭緩沖層和鈦酸鋇基膜，沉積溫度為25-150℃，即得。第二方面，本專利技術(shù)提供一種鈦酸鋇基超順電膜，由以上制備方法制備而成。第三方面，本專利技術(shù)提供一種電極，自硅基底至頂電極依次設(shè)置硅基底、底電極、緩沖層、鈦酸鋇基膜和頂電極，所述緩沖層的材質(zhì)為與鈦酸鋇基膜晶格匹配的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)導(dǎo)電氧化物鎳酸鑭。第四方面，本專利技術(shù)提供所述鈦酸鋇基超順電膜在制備電容器、功率調(diào)諧器件、脈沖功率系統(tǒng)、硅集成電路和薄膜晶體管器件中的應(yīng)用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的以上一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案取得了以下有益效果：1.本專利技術(shù)制備的鈦酸鋇基膜，具有分散良好的納米極性區(qū)域，高的最大極化強(qiáng)度，小的剩余極化強(qiáng)度，大的介電常數(shù)，小的介電損耗，因此其兼具制備溫度低，儲能密度和儲能效率高以及高儲能特性不隨厚度增加而變化的特點(diǎn)。并且，通過降低超順電膜層的厚度，增大電容密度和介電常數(shù)，滿足薄膜晶體管對介電層高介電常數(shù)的要求。2.本專利技術(shù)制備工藝中，薄膜在硅基底上的濺射沉積溫度低至室溫(無加熱)，有利于在集成電路和微電子領(lǐng)域中的應(yīng)用；低的制備溫度大大簡化了生產(chǎn)工藝流程，降低了生產(chǎn)工藝中的熱預(yù)算，節(jié)約大量成本，并獲得了具有優(yōu)異儲能特性的膜材料，其可回收能量密度達(dá)到100J/cm3，儲能效率達(dá)到90％，且其電容密度和介電常數(shù)具有良好的頻率穩(wěn)定性。3.本專利技術(shù)的制備工藝中，薄膜在硅基底上的濺射沉積溫度低至室溫(無加熱)，有利于在集成電路和微電子領(lǐng)域中的應(yīng)用；低的制備溫度大大簡化了薄膜晶體管的生產(chǎn)工藝流程，降低成本，并獲得了具有高電容密度和高介電常數(shù)的膜材料，其電容密度達(dá)到2450nF/cm2，介電常數(shù)達(dá)到304(@1kHz)。4.本專利技術(shù)使用與鈦酸鋇基材料晶格匹配的導(dǎo)電氧化物鎳酸鑭作為緩沖層，有利于提高鈦酸鋇基膜在中低溫條件下的結(jié)晶性，優(yōu)化其電學(xué)性能。5.本專利技術(shù)獲得的超順電鈦酸鋇基膜材料使用低成本市售材料，不含毒性元素，綠色環(huán)保；其制備工藝流程簡潔、設(shè)備成本低并易于器件集成，適合于工業(yè)化推廣及生產(chǎn)。附圖說明構(gòu)成本專利技術(shù)的一部分的說明書附圖用來提供對本專利技術(shù)的進(jìn)一步理解，本專利技術(shù)的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本專利技術(shù)，并不構(gòu)成對本專利技術(shù)的不當(dāng)限定。圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例1中鈦酸鋇基超順電膜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例1中超順電鋯鈦酸鍶鋇膜的高分辨透射電鏡照片及其選區(qū)衍射圖；圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例1中超順電鋯鈦酸鍶鋇膜的單邊電滯回線圖(極化強(qiáng)度-外加電場關(guān)系圖)；圖4為本專利技術(shù)實(shí)施例1中超順電鋯鈦酸鍶鋇膜的電容密度-頻率圖；圖5為本專利技術(shù)實(shí)施例1中超順電鋯鈦酸鍶鋇膜的介電常數(shù)-頻率圖；圖6為本專利技術(shù)實(shí)施例8中鋯鈦酸鍶鋇膜(10納米)的電容密度-頻率圖；圖7為本專利技術(shù)實(shí)施例8中鋯鈦酸鍶鋇膜(10納米)的介電常數(shù)-頻率圖。其中，1-基體、2-底電極、3-緩沖層、4-鈦酸鋇基膜、5-頂電極。具體實(shí)施方式應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是示例性的，旨在對本專利技術(shù)提供進(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本專利技術(shù)所屬
的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本專利技術(shù)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。第一方面，本專利技術(shù)提供一種鈦酸鋇基超順電膜的中低溫制備方法，包括如下步驟：在濺射有底電極的硅基底上依次濺射沉積鎳酸鑭緩沖層和鈦酸鋇基膜，沉積溫度為25-150℃，即得。經(jīng)前期研究發(fā)現(xiàn)，鎳酸鑭能有效降低濺射鈦酸鋇基膜的結(jié)晶溫度。在上述步驟的濺射溫度為200℃或以上時(shí)，鈦酸鋇基膜會形成縱貫?zāi)ず竦闹鶢罴{米晶粒，從而呈現(xiàn)鐵電態(tài)，使得鈦酸鋇基膜的可承受電壓(擊穿電壓)降低、剩余極化強(qiáng)度增大，對應(yīng)較低的可回收儲能密度和儲能效率。本專利技術(shù)通過降低鈦酸鋇基膜及其鎳酸鑭緩沖層的濺射溫度至150℃以下，使其本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.鈦酸鋇基超順電膜的中低溫制備方法，其特征在于：包括如下步驟：/n在濺射有底電極的硅基底上依次濺射沉積鎳酸鑭緩沖層和鈦酸鋇基膜，沉積溫度為25-150℃，即得。/n

【技術(shù)特征摘要】
1.鈦酸鋇基超順電膜的中低溫制備方法，其特征在于：包括如下步驟：
在濺射有底電極的硅基底上依次濺射沉積鎳酸鑭緩沖層和鈦酸鋇基膜，沉積溫度為25-150℃，即得。


2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦酸鋇基超順電膜的中低溫制備方法，其特征在于：磁控濺射鈦酸鋇基膜時(shí)，氣氛為氬氣和氧氣的混合氣氛；
進(jìn)一步的，鈦酸鋇基膜的材質(zhì)為純鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇或鋯鈦酸鍶鋇。


3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦酸鋇基超順電膜的中低溫制備方法，其特征在于：磁控濺射鈦酸鋇基膜時(shí)，磁控濺射的氣壓為1.2-1.4Pa，濺射功率為96-100W。


4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦酸鋇基超順電膜的中低溫制備方法，其特征在于：磁控濺射緩沖層時(shí)，氣氛為氬氣和氧氣的混合氣氛，磁控濺射的氣壓為0.3Pa，濺射功率為100W；
或，磁控濺射底電極時(shí)，氣氛為氬氣，氣壓為0.3Pa，濺射功率為55W。


5.一種鈦酸鋇基超順電膜，其特征在于：由權(quán)利要求1-4任一所述制備方法制備而成。


6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鈦酸鋇基...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：歐陽俊，王坤，趙玉垚，
申請(專利權(quán))人：歐陽俊，
類型：發(fā)明
國別省市：山東;37