[发明专利]一种非化学配比的铌掺杂钛酸钡外延薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种非化学配比的铌掺杂钛酸钡外延薄膜及其制备方法和应用。所述基于脉冲激光技术控制铌掺杂钛酸钡外延薄膜非化学配比的方法，包括如下步骤：利用脉冲激光轰击铌掺杂钛酸钡靶材，从而在基底沉积得到非化学配比的铌掺杂钛酸钡外延薄膜。本发明选用非化学配比的方法较好的实现了钡元素和钛元素占比的调控，工艺简单，为制备不同性能需求的薄膜提出了新的研究思路。

技术领域

本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种非化学配比的铌掺杂钛酸钡外延薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

氧化物半导体材料因其载流子迁移率高、制备温度低、电学均匀性好、对可见光透明和成本低等优势， 被认为是最适合驱动有机发光二极管的薄膜晶体管 (TFT) 的半导体有源材料之一。目前氧化物 TFT 已成功地应用在平板显示的驱动背板上。

钙钛矿氧化物是一种空间群为Pm3m的复合氧化物，简单立马结构，其通式为ABO₃。由于钙钛矿材料丰富的物理机制及其在新型电子器件中的广阔应用前景，过去十年中基础研究领域在钙钛矿氧化物薄膜及其异质结体系中发现许多新奇的物理效应，上世纪初，BaTiO₃（钛酸钡）等钙钛矿氧化物中发现铁电性开始，钙钛矿型氧化物材料开始走进人们的视线。钛酸钡是一种经典的铁电和介电材料，通过掺杂如Nb元素，取代Ti的位置，从而使其具有半导体性能。

目前较为成熟的改变薄膜化学配比的技术方法主要是依赖于改变陶瓷或者单晶靶材的化学计量配比、化学气相沉积与原子层沉积改变元素源的流速或者配比、溶胶凝聚法中改变化学配比。这些技术制备薄膜的过程比较复杂，而且不容易形成单晶的外延薄膜，并且生长过程难以满足小范围改变钡元素和钛元素的比。

因此，开发一种非化学配比的方法来制备铌掺杂钛酸钡外延薄膜具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中铌掺杂钛酸钡中钡元素和钛元素的配比调控的方法过程复杂，不易形成单晶的外延薄膜的缺陷个不足，提供一种基于脉冲激光技术控制铌掺杂钛酸钡外延薄膜非化学配比的方法。本发明提供的方法可精准的调控铌掺杂钛酸钡中钡元素和钛元素的配比，工艺简单；制备得到的铌掺杂钛酸钡外延薄膜致密性和平整度好。

本发明的另一目的在于提供一种非化学配比的铌掺杂钛酸钡外延薄膜。

本发明的另一目的在于上述非化学配比的铌掺杂钛酸钡外延薄膜在制备薄膜晶体管、光伏材料中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于脉冲激光技术控制铌掺杂钛酸钡外延薄膜非化学配比的方法，包括如下步骤：利用脉冲激光轰击铌掺杂钛酸钡靶材，从而在基底沉积得到非化学配比的铌掺杂钛酸钡外延薄膜。

脉冲激光沉积是一种采用高能脉冲激光轰击陶瓷或者单晶靶材，然后将靶材材料出沉积在相应衬底上成膜的真空薄膜沉积技术。从高能准分子脉冲激光在高真空条件下成功制备出高质量的高温超导YBa₂CuO_7-X 薄膜，从此脉冲激光沉积技术成为一种重要的制膜技术之一，得到科研工作者的普遍重视，被应用在各种氧化物、氮化物、硫化物等薄膜以及多层膜的制备上。

发明人尝试将脉冲激光沉积技术应用于制备铌掺杂钛酸钡外延薄膜上，并发现，且在沉积的过程中，钡元素和钛元素的占比也随激光变化发生改变。本发明选用非化学配比的方法较好的实现了钡元素和钛元素占比的调控，工艺简单，为制备不同性能需求的薄膜提出了新的研究思路。

脉冲激光的能量不仅会影响到薄膜的厚度，还会影响钡元素和钛元素的占比。常规的能量条件下可制得外延薄膜。

研究发现，对脉冲能量进行优选可进一步调控薄膜的厚度，使其更为致密和平整。

优选地，所述激光的能流密度为0.5~2.5 J/cm²。