硅片上集成高介电调谐率的柱状纳米晶BaTiO_(3)铁电薄膜

钛酸钡(BaTiO_(3))具有优异的介电、铁电、压电和热释电等性能,在微电子机械系统和集成电路领域具有广泛的应用。降低BaTiO_(3)薄膜的制备温度使其与现有的CMOS-Si工艺兼容,已成为应用研究和技术开发中亟需解决的问题。本研究引入与BaTiO_(3)晶格常数相匹配的LaNiO_(3)作为缓冲层,以调控其薄膜结晶取向,在单晶Si(100)基底上450℃溅射制备了结构致密的柱状纳米晶BaTiO_(3)薄膜。研究表明:450℃溅射温度在保持连续柱状晶结构和(001)择优取向的前提下,能获得相对较大的柱状晶粒(平均晶粒直径27 nm),一定残余应变也有助于其获得较好的铁电和介电性能。剩余极化强度和最大极化强度分别达到了7和43μC·cm^(-2)。该薄膜具有良好的绝缘性,在0.8 MV·cm^(-1)电场下,漏电流密度仅为10^(-5) A·cm^(-2)。其相对介电常数εr展现了优异的频率稳定性:在1 kHz时εr为155,当测试频率升至1 MHz,εr仅轻微降低至145。薄膜的介电损耗较小,约为0.01~0.03(1 kHz~1 MHz)。通过电容-电压测试,该薄膜材料展示出高达51%的介电调谐率,品质因子亦达到17(@1 MHz)。本研究所获得的BaTiO_(3)薄膜在介电调谐器件中有着良好的应用前景。