一种MBE同质外延生长SrTiO₃薄膜的方法

专利名称：一种MBE同质外延生长SrTiO₃薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种生长SrTiO3薄膜的方法，尤其涉及一种同质外延生长具有原子级精度平整和严格化学配比的极性SrTiO3(IlO)薄膜的方法。
背景技术：
利用分子束外延(MBE)技术生长薄膜，能够有效减少缺陷密度，得到高质量的薄膜，比如利用分子束外延生长的半导体GaAs/AKiaAs界面的二维电子气，其载流子迁移率可以达到 IO7CmW (文献 1 :D. G Schlom and L. N. Pfeiffer, Nature Mater. 9， 881 (2010))0但是用分子束外延方法制备复杂氧化物SrTiO3薄膜，遇到了很多挑战。对薄膜成分，特别是金属阳离子成分的控制一直是分子束外延方法制备多元氧化物SrTiOj^ 膜的重点和难点。另一方面，制备氧化物薄膜所必需的氧气氛，会使金属源被氧化，从而引起源蒸发速率的不稳定(文献 2 :E. S. Hellman and Ε. H. Hartford, J. Vac. Sci. Technol. B 12,1178(1994))。暴露在氧气氛中的金属源被氧化后，如果没有一个实时监测束流速率的系统，很难将金属蒸发源速率匹配控制在以内，这将直接影响到薄膜的成分与质量(文献 3 :Μ. Ε. Klausmeier-Brown, J. N. Eckstein, I. Bozovic, and G. F. Virshup, App 1. Phys. Lett. 60,657(1992)；文献4 :Y. Kasai and S. &ikai，Rev. ki. Instrum. 68，2850 (1997) ·)。 目前常用原子吸收谱和石英振荡器来对束流速率进行实时监控。但是对于生长高质量 SrTiO3薄膜，这些技术的控制精度远远不能达到要求。

发明内容
本发明的目的是克服高温金属源的速率不稳定引起的薄膜成分偏离问题以及传统方法控制薄膜材料化学配比精度的不足，提供一种MBE同质外延生长SrTiO3薄膜的方法。本发明提供一种MBE同质外延生长SrTiO3薄膜的方法，包括1)在氧气氛中于SrTiO3衬底的(110)面上共沉积Ti和Sr，同时对样品进行反射式高能电子衍射的原位实时监测；2)根据反射式高能电子衍射的特征衍射条纹的图案的变化来调整Sr束流和Ti束流的比例，使SrTiO3薄膜表面的重构始终围绕SrTiO3衬底表面的重构进行振荡。根据本发明提供的方法，其中所述特征衍射条纹表征SrTiO3薄膜表面的重构。根据本发明提供的方法，其中所述特征衍射条纹为
方向或[1-10]方向的衍射条纹。根据本发明提供的方法，其中步骤2)中，通过控制Sr源挡板和Ti源挡板之一的开与关来调整Sr束流和Ti束流的比例。根据本发明提供的方法，其中步骤2~)中，通过控制Sr源和Ti源的温度来调整Sr 束流和Ti束流的比例。根据本发明提供的方法，其中在步骤1)中，使Sr束流快于Ti束流，Sr束流与Ti束流的比例在1.5至3之间。根据本发明提供的方法，其中在步骤1)中，使Ti束流快于Sr束流，Ti束流与Sr 束流的比例在1.5至3之间。根据本发明提供的方法，其中在步骤1)中，当控制Sr源挡板的开与关来调整Sr 束流和Ti束流的比例时，使Sr束流快于Ti束流。根据本发明提供的方法，其中在步骤1)中，当控制Ti源挡板的开与关来调整Sr 束流和Ti束流的比例时，使Ti束流快于Sr束流。根据本发明提供的方法，其中在步骤幻中，如果在GXl)重构的衬底表面上生长 SrTiOj^膜，则使薄膜表面的重构以0X1)重构-(5X1)重构-0X1)重构-QX8)重构-G X 1)重构-(5 X 1)的顺序变化。本发明提供的方法能够有效地实现对薄膜成分和结构的控制，得到具有优良特性的高质量SrTiO3(IlO)外延薄膜。


以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中图1为SrTiO3(IlO)表面结构相图及对应的反射式高能电子衍射图案；图2为根据实施例1的方法生长的SrTiO3(IlO)薄膜的高分辨透射电镜表征结果。
具体实施例方式本发明提供了一种MBE同质外延生长SrTiO3薄膜的方法，在生长过程中利用原位高能电子衍射的特征条纹来监控SrTiO3薄膜的生长情况。在生长过程中，SrTiO3(IlO)的表面会根据Sr和Ti的比例不同(见横坐标)，而形成不同的重构结构，如图1所示，例如， 可形成5 X 1重构、4 X 1重构、2 X 8重构、6 X 8重构等，每种重构都对应一套特征条纹，且各套特征条纹互不相同，其中图1中第二行所示图片为W01]方向的高能电子衍射的特征条纹，第三行所示图片为[1-10]方向的高能电子衍射的特征条纹。由于反射式高能电子衍射的特征条纹代表相应的重构，因此特征条纹的亮度变化就反映了对应重构的变化。根据能量守恒原理，从一种重构A向另一种重构B转化时，A对应的特征条纹亮度逐渐变暗，而B对应的特征条纹则从暗变亮。在同质外延生长薄膜的过程中，所沉积的Sr(或Ti)首先会去补偿基片表面过量的Ti(或Sr)，形成1 1的SrTiO3结构，然后相同比例部分的Sr与Ti再结合形成SrTiO3, 最终过量的Ti (或Sr)则会在薄膜表面通过重构的形式存在，因此如果薄膜表面的重构能够与衬底表面重构相同，那么说明生长过程中Sr与Ti的束流比即为1 1，制备的SrTiO3 薄膜则为完美的化学配比，没有成分偏析或结构偏离。也就是说，束流比精确为1 IWSr 和Ti会形成完美化学配比的SrTiO3,过量的Sr或Ti则以重构的形式表现在薄膜表面上。 如果Sr和Ti的束流匹配(即束流比例为1 1)，则衬底表面的重构会随着生长向上“推移”，因此生长时应使SrTiO3(IlO)薄膜表面的重构始终围绕衬底表面的重构。本发明通过实时监控SrTiO3薄膜的高能电子衍射的特征条纹(该特征条纹为表征表面重构的条纹)，并根据特征条纹的图案变化来调整Sr和Ti的束流比例，如果在 (4X1)重构的衬底表面上生长SrTiOj^膜，则使薄膜表面的重构以0X1)重构-(5X1)重构44X1)重构42X8)重构44X1)重构-(5X1)的顺序进行调节，即使生长的SrTiO3 薄膜的表面始终围绕GXl)重构进行转换。实施例1本实施例提供一种MBE同质外延生长SrTiO3薄膜的方法，包括1)处理基片选择普通市售SrTiO3(IlO)基片作为衬底，利用溅射剂量为 500eV/2. 0 μ A/10min的Ar离子溅射，然后在1000°C下超高真空退火，得到具有单相0X 1) 重构的SrTiO3(IlO)表面，这是SrTiO截止面；2) SrTiO3 (110)薄膜的制备加热衬底至800°C，在氧气氛中共沉积Ti和Sr，同时对样品进行反射式高能电子衍射的原位实时监测，选择W01]方向的衍射条纹(如图1中第二行所示)作为特征衍射条纹，通过特征衍射条纹的图案的变化来控制Ti源和Sr源的挡板的开与关。其中，步骤2)包括a)在共沉积Ti和Sr的初始阶段，使Sr的束流为Ti的束流的两倍，由于Sr过量， 薄膜表面的重构将逐步由衬底原来的GXl)重构朝向(5X1)重构转变；b)当特征衍射条纹显示为(5X1)重构时，关闭Sr源的挡板，此时Ti将逐渐补偿过量的Sr，薄膜表面的重构重新逐步回到0X1)重构，经过一段时间后，由于Sr源的挡板关闭，将导致Sr缺乏而Ti过量，薄膜表面的重构朝向QX8)重构转变；c)当特征衍射条纹显示为QX8)重构时，打开Sr源挡板，由于Sr的束流是Ti的束流的两倍，因而过量的Ti通过Sr得到补偿，薄膜表面的重构逐步转变成0X1)重构，经过一段时间后，由于Sr源挡板打开，Sr会过量，薄膜表面的重构会朝向(5X1)重构转变；d)当特征衍射条纹显示为(5X1)重构时，关闭Sr源的挡板，重复步骤b)、C)。由此可见，根据反射式高能电子衍射的特征衍射条纹的图案来控制Sr源挡板的开与关，能够使生长的SrTiO3(IlO)薄膜的表面始终围绕GXl)重构进行转换，因此能够在GXl)重构的衬底上生长出晶体质量优异的SrTiOj^膜，克服束流Sr源和Ti源的速率不稳定引起的薄膜成分偏离的问题，可有效地控制薄膜的材料化学配比。根据本发明的其他实施例，其中还可以选择[1-10]方向的对应于GXl)重构的衍射条纹(如图1中第三行所示)作为特征衍射条纹，观察特征衍射条纹的图案变化。图2是用本实施例生长的SrTiO3(IlO)薄膜的高分辨透射电镜表征结果。从图2 可以看出，利用本方法制备出的薄膜能够很好地外延在基底上。根据本发明的其他实施例，其中步骤1)中处理基片的方法不限于上述方法，可以采用本领域公知的其他方法形成具有所需重构的SrTiO3衬底表面。生长SrTiO3薄膜过程中，使SrTiO3薄膜表面的重构始终围绕衬底表面的重构进行转换，这样可生长出晶体质量优异的SrTiO3薄膜。根据本发明的其他实施例，其中SrTiOj^膜制备过程中，衬底优选被加热至 800-900°C。根据本发明的其他实施例，其中处理基片的方法不限于上述方法，也可以采用其他本领域技术人员公知的方法来处理基片从而得到具有所需重构的衬底表面。根据本发明的其他实施例，其中也可以使Sr源挡板常开，而控制Ti源挡板的打开与关闭，同样可以实现本发明。
根据本发明的其他实施例，其中使Sr束流快于Ti束流时，优选Sr束流与Ti束流的比例在1.5至3之间。根据本发明的其他实施例，其中使Ti束流快于Sr束流时，优选Ti束流与Sr束流的比例在1.5至3之间。根据本发明的其他实施例，其中除了上述实施例中根据特征衍射条纹图案的变化来控制Sr源挡板的打开与关闭外，还可以通过控制Sr源的温度来达到调整Sr/Ti束流比例的目的，即将上述实施例的方法中关闭Sr源挡板的动作，替换成降低Sr源温度，将打开 Sr源挡板的动作替换成升高Sr源温度。也可以采用其他本领域技术人员公知的方法来调整Sr束流和Ti束流的比例。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种MBE同质外延生长SrTiO3薄膜的方法，包括1)在氧气氛中于SrTiO3衬底的(110)面上共沉积Ti和Sr，同时对样品进行反射式高能电子衍射的原位实时监测；2)根据反射式高能电子衍射的特征衍射条纹的图案的变化来调整Sr束流和Ti束流的比例，使SrTiO3薄膜表面的重构始终围绕SrTiO3衬底表面的重构进行转换。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征衍射条纹表征SrTiO3薄膜表面的重构。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述特征衍射条纹为
方向或[1-10]方向的衍射条纹。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤幻中，通过控制Sr源挡板和Ti源挡板之一的开与关来调整Sr束流和Ti束流的比例。
5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤幻中，通过控制Sr源和Ti源的温度来调整 Sr束流和Ti束流的比例。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤1)中，使Sr束流快于Ti束流，Sr束流与 Ti束流的比例在1.5至3之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤1)中，使Ti束流快于Sr束流，Ti束流与 Sr束流的比例在1.5至3之间。
8.根据权利要求4所述的方法，其中在步骤1)中，当控制Sr源挡板的开与关来调整 Sr束流和Ti束流的比例时，使Sr束流快于Ti束流。
9.根据权利要求4所述的方法，其中在步骤1)中，当控制Ti源挡板的开与关来调整 Sr束流和Ti束流的比例时，使Ti束流快于Sr束流。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤幻中，如果在GXl)重构的衬底表面上生长SrTiOj^膜，则使薄膜表面的重构以0X1)重构-(5X1)重构-0X1)重构-QX8) 重构44X1)重构-(5X1)的顺序转换。
全文摘要
本发明提供一种MBE同质外延生长SrTiO3薄膜的方法，包括在氧气氛中于SrTiO3衬底的(110)面上共沉积Ti和Sr，同时对样品进行反射式高能电子衍射的原位实时监测；根据反射式高能电子衍射的特征衍射条纹的图案的变化来调整Sr束流和Ti束流的比例，使SrTiO3薄膜表面的重构始终围绕SrTiO3衬底表面的重构进行转换。
文档编号C30B29/32GK102492985SQ20111044776
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者冯加贵, 杨芳, 汪志明, 郭建东 申请人:中国科学院物理研究所