一种在锗衬底上外延生长单晶钛酸钡薄膜的方法
【技术领域】
本发明属于单晶薄膜外延制备领域，尤其是一种在锗衬底上外延生长单晶钛酸钡薄膜的方法。
【背景技术】
钙钛矿型氧化物材料具有多种功能性，如介电性、压(铁)电性、铁磁性等。钛酸钡(BaTiO3)是其中的一个典型代表，它是一种被广泛应用于微机电一体化、非易失性存储、执行器等领域的铁(压)电材料，而其功能性在单晶外延形态中表现的更为优异。将以钛酸钡为代表的功能性钙钛矿型氧化物与半导体衬底，如硅或者锗集成，不但可以有助于实现性能更为优异的晶体管电子电路，还有助于实现多种新型功能器件。与传统半导体硅衬底不同，锗具有更高的空穴迁移率和更为优异的光电子性能，从而能够应用于未来的高速晶体管和新型光电子器件。所以在锗衬底上实现单晶外延形态的钛酸钡薄膜十分重要。
主要困难在于锗表面在氧化物生长初期容易被氧化、形成非晶的氧化层从而使得钛酸钡薄膜失去了外延的晶格秩序。现阶段常用的方法是利用分子束外延等超高真空设备进行表面钝化和生长缓冲层来获得外延单晶钛酸钡薄膜，不但工艺复杂，成本也较为高昂，这大大限制了锗基电子、光电子器件的发展与推广。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种在锗衬底上外延生长单晶钛酸钡薄膜的方法。使用脉冲激光沉积方法在Ge衬底上直接外延生长钛酸钡薄膜，该方法实施简便、成本低廉，无需表面钝化和缓冲层。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种在锗衬底上外延生长单晶钛酸钡薄膜的方法，包括以下步骤：
步骤1，对(001)取向的Ge衬底进行超声清洗；
步骤2，将经过步骤1处理的衬底装入脉冲激光沉积系统的腔室中，并将腔室抽至背底真空；
步骤3，维持腔室内气压的真空水平，将步骤2中放入腔室的衬底加热至800℃；
步骤4，维持步骤3的气压和温度状态，对衬底进行退火处理，使其表面重构以便后续薄膜生长过程中薄膜的结晶；
步骤5，调整步骤4中维持的气压和温度，控制温度在500-800℃，打开激光器，进行薄膜生长；
步骤6，停止生长，使衬底自然降温，待样品降至室温后向腔室内通入空气，打开腔体取出样品，完成生长。
本发明进一步的改进在于：
步骤1使用丙酮、酒精和去离子水依次对Ge衬底进行超声清洗。
使用丙酮、酒精和去离子水依次对Ge衬底进行超声清洗，时间为各5min。
步骤2中抽至背底真空为2×10-4Pa以下。
步骤4中进行退火处理维持至少30min。
步骤5中薄膜生长初期，控制氧气分压在1×10-3Pa以下。
步骤5中激光器内激光能量控制在1-5J/cm2，频率为1～10Hz。
步骤5中在10-3-10Pa进行薄膜生长时，待薄膜厚度达到10-20nm以上时，再提高氧气分压气压，再继续生长。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明使用脉冲激光沉积方法，通过对氧化物和锗界面和氧分压的严格控制，实现Ge上钛酸钡薄膜的直接外延生长。本发明可以简便地、低成本地实现Ge上钛酸钡薄膜的外延生长。制备出的单晶外延薄膜经透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)分析，得到的薄膜界面清晰、薄膜为单晶外延生长、薄膜表面平整。
【附图说明】
图1为本发明实施例1制备薄膜界面TEM图；
图2为本发明实施例1制备薄膜结晶的XRD图；其中，(a)为2Theta扫描图，(b)为Phi扫描图；
图3为本发明实施例1制备薄膜表面的AFM图。
【具体实施方式】
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明一种在锗衬底上外延生长单晶钛酸钡薄膜的方法，包括以下步骤：
步骤1：使用丙酮、酒精、去离子水依次对Ge(001)衬底进行超声清洗，每种清洗剂中清洗5分钟；
步骤2：将步骤1中清洗得到的Ge(001)衬底装入脉冲激光沉积系统的腔室中，并将腔室抽至背底真空；
步骤3：维持腔内气压在步骤2中得到的高真空水平，并将步骤2中放入真空腔的衬底加热至800℃；
步骤4：维持步骤3中气压、温度状态，对Ge(001)衬底进行退火30分钟，使其表面清洁以便后续薄膜生长过程中薄膜的结晶；
步骤5：调整维持的步骤4中的气压、温度，控制气压在1×10-3Pa以下，控制温度在500～800℃，打开激光器，控制激光能量在1～5J/cm2，频率在1～10Hz，进行薄膜生长；
步骤6：如希望获得更高氧分压下生长的薄膜，至少需要生长至薄膜厚度达到10～20nm以上，方可提高氧气分压气压至10-3～101Pa继续进行生长；
步骤7：停止生长，使衬底自然降温，待样品降至室温后向腔内通入空气，打开腔体，取出样品，完成生长。
本发明制备出的单晶外延薄膜的透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)分析，确定具有以下性质：
(1)薄膜界面清晰；
(2)薄膜为单晶外延生长；
(3)薄膜表面平整。
实施例1
1)使用丙酮、酒精、去离子水依次对Ge(001)衬底进行超声清洗；
2)将洗净的Ge(001)衬底装入脉冲激光沉积系统的腔室中，并将腔室抽至背底真空；
3)将衬底加热到800℃；
4)退火30分钟；
5)维持气压在5×10-4Pa，温度800℃；
6)打开脉冲激光器，控制激光能量密度为1.77J/cm2，生长频率2Hz，进行薄膜生长；
7)结束生长，向腔内通入空气，取出样品。
如图1，生长得到薄膜的界面的TEM图，可以看出界面清晰，无原子相互扩散。如图2，生长得到薄膜的结晶XRD图，可以看出薄膜外延生长。如图3，生长得到薄膜的表面形貌AFM图，可以看出薄膜表面平整。
实施例2
1)使用丙酮、酒精、去离子水依次对Ge(001)衬底进行超声清洗；
2)将洗净的Ge(001)衬底装入脉冲激光沉积系统的腔室中，并将腔室抽至背底真空；
3)将衬底加热到800℃；
4)退火30分钟；
5)维持气压在5×10-4Pa，温度500℃；
6)打开脉冲激光器，控制激光能量密度为1J/cm2，生长频率1Hz，进行薄膜生长；
7)结束生长，向腔内通入空气，取出样品。
实施例3
1)使用丙酮、酒精、去离子水依次对Ge(001)衬底进行超声清洗；
2)将洗净的Ge(001)衬底装入脉冲激光沉积系统的腔室中，并将腔室抽至背底真空；
3)将衬底加热到800℃；
4)退火30分钟；
5)维持气压在5×10-4Pa，温度650℃；
6)打开脉冲激光器，控制激光能量密度为5J/cm2，生长频率10Hz，进行薄膜生长；
7)结束生长，向腔内通入空气，取出样品。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
