[发明专利]一种新型的钙钛矿锰基氧化物薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的钙钛矿型锰基氧化物薄膜材料及其制备方法，特别是一种A位电子掺杂型的半导体钙钛矿锰基氧化物钕锆锰氧Nd_0.9Zr_0.1MnO₃薄膜材料及其制备方法。

背景技术

钙钛矿型化合物具有通式ABO₃，这类材料具有特定的立方晶体结构：A位离子位于立方晶胞的顶点，B位离子位于体心，O^2-位于面心。钙钛矿型锰基氧化物是指B位为Mn离子、A位为La、Nd、Pr等+3价稀土元素的钙钛矿型化合物，其通式为AMnO₃。而A位掺杂型钙钛矿型锰基氧化物是指在AMnO₃化合物的基础上，在A位掺入其它元素，使A位被两种或两种以上不同元素占据、Mn离子由单一价态变为混合价态，以改变材料的性质。

A位掺杂的钙钛矿型锰基氧化物主要包括A位空穴掺杂型钙钛矿锰基氧化物和A位电子掺杂型钙钛矿锰基氧化物，目前这两种材料研究和应用最为广泛。A位掺杂的钙钛矿锰基氧化物的主要用途之一是应用于半导体p-n结。半导体p-n结由p区和n区组成，分别为p型半导体和n型半导体。A位空穴掺杂型钙钛矿锰基氧化物是一种p型半导体，可应用于半导体p-n结的p区；电子掺杂型钙钛矿锰基氧化物是一种新型的n型半导体，可应用于半导体p-n结的n区。半导体p-n结在二极管领域具有广泛的应用，利用其基本特性可以制造出多种功能的晶体二极管，如整流二极管、检波二极管、开关二极管、稳压二极管、雪崩二极管、隧道二极管等等。此外，半导体p-n结还是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。

A位电子掺杂型钙钛矿锰基氧化物在半导体器件中应用的基础是制备薄膜形态的材料，以满足半导体工艺过程需要，降低器件的尺寸，从而满足微电子器件小型化的需求。同时，要求制备出的薄膜具有良好的单相性、外延性，以保持器件性能的稳定。制备薄膜材料的方法有很多种，其中包括化学气相沉积(CVD)，如液相沉积、电解沉积及金属有机化学气相沉积等；物理气相沉积(PVD)，如蒸发沉积、激光分子束外延、脉冲激光沉积及磁控溅射等，其中磁控溅射又可分为直流磁控溅射、射频磁控溅射和励磁磁控溅射。

磁控溅射方法是一种十分普遍且有效的薄膜沉积方法，目前已被广泛应用于微电子、光学薄膜、材料表面处理中等领域中，特别是在半导体工艺制程中用于沉积集成电路晶体管的金属电极层。与其它薄膜制备工艺相比，磁控溅射方法具有工艺稳定，易于控制，效率高，设备价格适中，薄膜致密、针孔小、与衬底之间附着性好等优点。

磁控溅射的原理如下：经过电场加速的电子飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子。电子飞向基片，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子。呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。而产生的二次电子在加速飞向基片的过程中受磁场洛仑兹力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面做圆周运动，在运动过程中不断撞击电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次的碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。在磁控溅射过程中，如果使用绝缘材料靶时，轰击靶材的正离子会在靶面上累积，使其带正电，靶电位上升，使得电极间的电场逐渐变小，直至辉光放电熄灭和溅射停止。所以直流磁控溅射不能用来溅射沉积绝缘介质薄膜。为了溅射沉积非金属材料，必须使用交流电源，即射频溅射。由于交流电源的正负性发生周期交替，当溅射靶处于正半周时，电子流向靶面，中和其表面积累的正电荷，并且积累电子，使其表面呈现负偏压，导致在射频电压的负半周期时吸引正离子轰击靶材，从而实现溅射。