钛酸锶钡薄膜取向生长、界面调控及介电调谐性能研究

铁电移相器在微波通信、智能天线、相控阵雷达等方面具有广阔的应用前景。钛酸锶钡（BST）铁电材料具有高介电常数、低介电损耗及高介电调谐性能，是铁电移相器的理想材料。铁电移相器小型化、集成化、低成本的发展趋势，使BST薄膜材料成为国内外研究的热点。为实现可调谐微波器件与半导体集成，要求BST薄膜能直接沉积在Si 衬底上。薄膜的介电调谐性能与取向生长和界面特性密切相关。本项目采用磁控溅射法，直接在Si 衬底上制备BST薄膜，利用TiOx籽晶层调控Si衬底和BST薄膜的界面，研究界面、籽晶层、应力对BST薄膜取向生长的影响，揭示BST薄膜取向生长的机制；研究取向、界面、籽晶层对BST薄膜微波介电调谐性能的影响；阐明BST薄膜介电性能与取向生长、界面之间的内在联系；探索制备高取向、高介电调谐性能、低介电损耗BST薄膜的新途径，为研制具有自主知识产权的铁电移相器用BST薄膜材料奠定基础和提供知识积累。

近年来，钛酸锶钡 Ba1-xSrxTiO3 (BST)铁电体材料因为其介电常数随外加电场非线性变化，且具有高的介电常数可调性、相对低的介质损耗等优异特性，成为新型微波调谐器件的重要候选材料。随着器件小型化和集成化的发展，BST 介电薄膜成为近年来的研究热点。本项目选取 BST 薄膜为主要研究对象，采用磁控溅射法作为薄膜材料的制备手段，重点探索了 BST 薄膜的掺杂改性与衬底优化等科学问题，为发展可调谐器件用高质量 BST 薄膜材料提供技术途径和知识积累。（1）系统研究了不同 La/Mn 掺杂量对 BST 薄膜的微结构及性能影响，并且重点探索了 A/B 位 La/Mn 二元共掺杂对 BST 薄膜性能影响机制。分析表明，单掺 La 提高了BST 薄膜的介电常数和可调性，但同时介电损耗也增加了。而对 BST薄膜进行La/Mn共掺杂时，掺锰却有利于介电损耗降低。利用 0.6 mol% La+0.5 mol% Mn 共掺杂的过量BaO 和 SrO 的Ba0.6Sr0.4TiO3 靶材溅射所得的 BST-LM1 薄膜的优值因子最高，高达35.06@700 kV/cm，与文献中报道的相同条件下在Si衬底上生长的BST薄膜的介电性能具有很大的可比性。（2）以LNO为底电极，实现了在宽禁带半导体衬底 SiC 生长了高介电性能的BST薄膜。与在Si衬底上生长BST薄膜相比，SiC上BST薄膜结晶性更好，可调性更高(61.22% @700 kV/cm)，以及介电常数温度系数绝对值更低(6.88×10-4/K)。另外，当SiC上BST薄膜厚度增加到 430 nm，可调性更高(68.09%)，介电损耗更低(0.00987)，FOM值更高(68.99)，该薄膜的高可调性与薄膜受到较小的面内张应力有关。