氧气生长动力学对使用PLD技术沉积的LaAlO3薄膜的结构和介电性能的影响

《Ceramics International》：Effect of Oxygen Growth Kinetics on Structure and Dielectric Properties of LaAlO 3 Thin Films Deposited using PLD Technique

　　

摘要：

镧铝氧化物（LaAlO₃，一种钙钛矿型结构）因其独特的物理和电学性质，在研究和电子工业领域引起了广泛关注。特别是，LaO在微电子应用中得到了广泛应用，因为它作为一种有效的缓冲层具有独特的性能。本研究旨在通过脉冲激光沉积（PLD）技术制备LaAlO₃薄膜，以用于潜在的电子设备。使用自制的LaO靶材，在不同的氧气分压下，利用Nd:YAG激光对其进行烧蚀来沉积LaO薄膜。通过在900摄氏度下退火1小时，沉积的LaO薄膜的结晶度得到了提高。通过Rietveld精修分析了薄膜的结构，确认形成了R-3c空间群（编号167）的菱形相。拉曼光谱显示在大约122 cm^-1（A_1g）、152 cm^-1（E_g）和约488 cm^-1（E_g）处有三个显著的振动模式，证实了LaAlO₃相的形成。La 3d、Al 2p和O 1s的高分辨率XPS光谱分别分解为4个、2个和2个峰，对应于LaAlO₃薄膜中的不同化学键合状态。在30 SCCM氧气流量下沉积的LaO薄膜表现出优异的结晶度以及有利的介电特性，包括介电常数约为17.3至23.5，损耗因子约为0.2至1.2。此外，在10 kV/cm的电场作用下，LaO-30的泄漏电流密度约为1.5 x 10^-8 A/cm²。这些结果表明，具有R-3c晶体结构的LaO薄膜，在适当的介电常数和低泄漏电流密度下，是先进电子设备和介电层应用的有希望的候选材料。

引言

根据国际半导体技术路线图（ITRS）[1],[2],[3]，互补金属氧化物半导体（CMOS）应用要求栅极介质的微型化，这将在未来几年内成为一个挑战。传统的SiO₂在厚度低于0.7至1.2纳米时会导致泄漏电流迅速增加至1-10 A/cm²，从而降低设备的性能和可靠性。解决这一问题的方法是使用具有高介电常数的替代材料，如SrTiO₃[4]、CeO₂、HfO₂[5]或Ta₂O₅[6]代替SiO₂[7]。然而，当这些材料沉积在Si基板上并经过退火处理时，会形成SiO₂或金属硅化物等中间相。这一退火过程清楚地表明，用于设备的缓冲层的处理条件对设备性能有显著影响。自从发现铜氧化物钙钛矿系统的高温超导性以来，制备高质量的超导薄膜一直需要很大的努力。在高沉积温度（600-800 °C）下，薄膜的质量受到晶格间扩散、基板与薄膜之间的晶格常数不匹配以及薄膜和基板的热膨胀系数差异的影响。

LaAlO₃具有高介电常数（约25）[8]、良好的热稳定性（高达约2100摄氏度）[9]、宽禁带（6.55 eV）[10]、低损耗因子以及良好的化学稳定性。这些特性使其适用于多种先进的电子应用。LaAlO₃被用作锰氧化物[8],[9]、可见光或紫外线遮光光电探测器[13],[14],[15]、高温超导薄膜[10],[16]和钙钛矿铁电薄膜[17],[18]的基底或缓冲层。铁电栅极场效应晶体管（FeFET）的关键组件利用铁电材料作为栅极绝缘体，利用其自发极化实现诸如非易失性存储器、高性能光检测和神经形态计算等先进功能。FeFET通过集成铁电极化来调节半导体载流子浓度，使其成为具有可调电子特性的新兴存储技术和多功能设备的有希望的候选者[2],[19],[20]。然而，直接将铁电材料沉积在硅基板上会导致界面处形成过渡层，其中发生组成元素的互扩散[21]。这种基板与铁电材料之间的界面会降低电学性能并影响整体设备性能。因此，在将LaAlO₃和其他铁电材料集成到电子设备中时，界面层对于保持高介电和铁电性能至关重要。在FeFET中，像MoS₂和石墨烯这样的铁电材料提供了非易失性存储器，并能够在钙钛矿基板上调节导电状态。这些设备展示了良好的存储保持时间和高开/关电流比，从而延长了使用寿命。然而，优化铁电-半导体界面以减少电荷捕获和界面缺陷是一项具有挑战性的任务，这会妨碍设备性能。LaAlO₃的独特性质，包括其高介电常数、作为基底或缓冲层的兼容性和化学稳定性，使其成为制备铁电薄膜的重要成分。优化LaAlO₃与硅和其他半导体通道的沉积和界面质量对于实现设备在传感和光电子应用中的全部潜力至关重要。

Cabanas等人[22]使用镧和铝乙酰丙酮酸盐作为原料，通过化学气相沉积（CVD）工艺沉积了LaAlO₃薄膜。这项研究表明，在硅（Si）（1 0 0）基板上沉积LaAlO₃薄膜时，LaAlO₃与Si基板发生了反应。Yan等人[23]使用激光束外延方法在n型Si基板上沉积了非晶LaAlO₃薄膜，并在+1V直流偏压下获得了0.05 mA/cm²的低泄漏电流密度（薄膜厚度为12纳米）。Byung-Eun Eun Park等人[21]使用电子束枪在真空中蒸发单晶颗粒，在氮气氛围中以800摄氏度退火沉积了LaAlO₃薄膜。该研究估计非晶LaAlO₃薄膜的介电常数在21至25之间。Xiang等人[24]使用激光束外延方法沉积了LaAlO₃薄膜，并在+1V偏压下获得了1 mA/cm²的低泄漏电流密度。Edge等人[25]研究了通过分子束沉积生长的非晶LaAlO₃薄膜的电学特性，并通过电容-电压测量估计其介电常数为16 2。这些非晶薄膜在V_fb-1V下的泄漏电流密度在0.8至8.5 mA/cm²之间，薄膜厚度为45-75 ?。Devine等人[26]在Ar（75 SCCM）和O₂（5 SCCM）气体混合物存在下，使用13.56 MHz射频从多晶LaAlO₃靶材中通过溅射沉积了(La_xAl_1-x)₂O₃（0.61 0.74）薄膜，并在氮气氛围中以700摄氏度退火1小时。所得LaO薄膜的介电常数在13.4至12.5之间，泄漏电流密度约为10^-8 A/cm²。Zhao等人[27]使用原子层沉积方法沉积了LaAlO₃薄膜，并研究了沉积薄膜的泄漏特性，发现通过在氧气环境中退火可以降低泄漏电流密度至约3.18 x 10^-8 A/cm²

然而，目前尚无关于使用自制靶材制备低温、纯相、化学计量的LaO薄膜的综合性研究，也没有关于这些薄膜用于电子应用的表征的文献。因此，我们受到启发，使用自制的LaO靶材通过脉冲激光沉积技术研究LaO薄膜的制备，并系统地研究其结构和介电性质。因此，我们旨在研究LaAlO₃的介电行为及其与Si基板的兼容性，确保退火后不会形成中间相。

章节片段

LaAlO₃溅射靶材的制备

LaAlO₃溅射靶材最初是通过使用La₂O₃和Al₂O₃作为原料的固态反应方法制备的。根据化学计量比例称量这些原料，然后在液体介质（蒸馏水）中以250 rpm的速度在球磨机中研磨12小时。所得溶液在热板上干燥24小时形成粉末，再研磨成细粉。将这种细粉在1600摄氏度下煅烧6小时，之后再次以250 rpm的速度在球磨机中研磨。

结构分析

沉积的LaAlO₃薄膜在900摄氏度下以3°C/分钟的加热速率在炉中退火1小时。通过图1显示的X射线衍射光谱确定了退火后的LaO薄膜结构。这些结果表明，所有沉积的LaO薄膜都呈现出R-3c空间群的菱形LaAlO₃，并与JCPDS卡片编号01-070-6968匹配，确认了群编号167以及所有沉积LaO薄膜结构的衍射峰。

结论

使用自制LaO靶材通过脉冲激光沉积技术制备了LaAlO₃薄膜。这些薄膜在不同的氧气分压下沉积，以系统地研究其结构和介电性质。在30 SCCM氧气流量下沉积的LaO薄膜显示出R-3c空间群，晶格参数a = b = 5.3650 ?和c = 13.1201 ?，单位晶胞体积约为327.02 ?³（来自Rietveld精修结果）。较低的χ²值（1.45）表明拟合良好。

CRediT作者贡献声明

Ethireddy Radhika：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Samuel Talari：方法论，形式分析。Suhesh Kumar Singh Mayanglambam：资源，方法论。Ravichandra Rao Chilaka：方法论。Pamu Dobbidi：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，资源

未引用的参考文献

[11],[12],[50],[51],[75],[76]。

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

作者非常感谢物理系的纳米技术中心以及IIT Guwahati的中央仪器设施为这项工作提供的仪器和分析支持。作者还感谢IISER Thiruvananthapuram的中央仪器设施提供的XPS仪器和分析支持。作者也很高兴感谢ISRO（STC#0364）和TIDF_tiH（ICPSISPTIDF00228xSKD101A）提供的财务支持。

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